Текст
                    Бпоппотечка электротехника
В. А. Шуин
А. В. Гусенков
ЗАЩИТЫ
ОТ ЗАМЫКАНИЙ
НА ЗЕМЛЮ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СЕТЯХ 6 - 10 КВ
ПРИЛОЖЕНИЕ К ЖУРНАЛУ

Бпблпотечка электротехнпка — приложение к журналу “Энергетик" План выпусков Первая половина 2001 г. Курбангалиев У. К. Самозапуск двигателей собственных нужд электростанций. Овчинников В. В. Автоматическое повторное включение. Кузнецов А. П., Лукоянов В. Ю. и др. Современные испытатель- ные устройства для релейной защиты и автоматики. Шабад М. А. Защита генераторов малой и средней мощ- ности. Иноземцев Е. К. Ремонт высоковольтных электродвигате- лей электростанций (две части). Вторвя половине 2001 г. Шкарин Ю. П. Высокочастотные тракты каналов связи по линиям электропередачи (две части). Овчаренко Н. И. Аналоговые элементы микропроцессор- ных комплексов релейной защиты и автоматики. Безчастнов Г. А., Красильников А. М. и др. Контроль состоя- ния изоляции электрических машин. Шуин В. А., Гусенков А. В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. Конюхова Е. А., Киреева Э.А. Надежность электроснабже- ния промышленных предприятий. Подписку можно оформить в любом почтовом отделении связи по объединенному каталогу “ПРЕССА РОССИИ”. Том 1. Российские и зарубежные гвзеты и журналы. Индексы “Библиотечки электротехника” — приложения к журналу “Энергетик” 88983 — для предприятий и организаций; 88982 — для индивидуальных подписчиков.
Библиотечка электротехника — приложение к журналу "Энергетик ” Основана в июне 1998 г. Выпуск 11(35) В. А. Шуин А. В. Гусенков ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 6 - 10 КВ Москва НТФ “Энергопрогресс”, “Энергетик” 2001
УДК 621.316.925 ББК 31.27-05 Ш95 Главный редактор журнала “Энергетик” А. Ф. ДЬЯКОВ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ “Библиотечки электротехника” В* А. Семенов (председатель), И. И. Балок (зам. председателя), Б. А. Алексеев, К. М. Антипов, Г. А. Безчастнов, А. Н. Жулев, В. А. Забегалов, В. X. Ишкин, Ф. Л. Коган, В. И. Кочкарев, Н. В. Лисицын, Л. Г. Мамиконянц, Л. Ф. Плетнев, В. И. Пуляев, Ю. В. Усачев, М. А. Шабад Шуин В. А., Гусенков А В. Ш95 Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. — М.: НТФ “Энергопрогресс” 104 с.; ил. [Биб- лиотечка электротехника; Вып. 11(35)] Приведены сведения об электрических величинах, используемых для действия защит от замыканий на землю. Рассмотрены принципы выпол- нения устройств зашиты и сигнализации замыканий на землю (033). Приведены структурные и принципиальные схемы устройств защиты и сигнализации 033. Даиы рекомендации по применению этих устройств в сетях с различными режимами заземления нейтрали, по выбору их па- раметров срабатывания. Для специалистов служб релейной защиты и автоматики энергосис- тем и промпредприятий, занимающихся эксплуатацией кабельных и воздушных электрических сетей 6 10 кВ, а также студентов высших и средних учебных заведений. ISSN 0013-7278 © НТФ “Энергопрогресс”, “Энергетик”, 2001
Предисловие Повышение надежности работы электрических сетей 6 — 10 кВ является одной из важных задач, поскольку это непосредственным образом связано с увеличением надежности электроснабжения по- требителей. Однофазные замыкания на землю (033) являются основным видом электрических повреждений в этих сетях. Главной причиной аварий, связанных с 033, как правило, являются перехо- ды последних в многофазные короткие замыкания (КЗ). Уменьшение вероятности переходов 033 в многофазные КЗ и соответственно повышение надежности работы сетей 6 — 10 кВ связано, прежде всего, с проблемой совершенствования режимов заземления их нейтрали. В свою очередь, режим заземления ней- трали сети определяет принципы выполнения защиты от 033 и способы ее действия (на сигнал или на отключение). Учитывая до- стигнутые в настоящее время в России уровни резервирования и автоматизации электрических сетей 6 — 10 кВ и технологических процессов на предприятиях, следует ожидать, что требование со- хранения в работе (в течение ограниченного времени) элемента, имеющего 033 в ближайшей перспективе для большинства сетей 6—10 кВ, не потеряет своей актуальности как эффективный и эко- номически наиболее дешевый способ обеспечения требуемой на- дежности электроснабжения. Возможность работы сети с 033 в течение ограниченного време- ни, достаточного для ликвидации повреждения без отключения по- требителей, в принципе обеспечивают несколько вариантов режима заземления нейтрали (изолированная нейтраль, резонансное зазем- ление нейтрали, высокоомное заземление нейтрали через резистор), каждый из которых имеет свою область применения. В некоторых случаях более эффективное решение проблемы повышения надеж- ности работы сети 6 — 10 кВ может быть обеспечено применением режима заземления нейтрали, не допускающего длительную работу сети с 033 (низкоомное заземление нейтрали через резистор) и вы- полнением защиты от 033 с действием на отключение. 3
Таким образом, вопросы выполнения защиты от 033 в сетях 6 — 10 кВ необходимо рассматривать во взаимосвязи с выбором оп- тимального режима заземления нейтрали. В брошюре рассмотрены основные характеристики различных режимов заземления нейтрали электрических сетей 6—10 кВ, даны обоснования области их применения, приведены соотношения электрических величин установившегося режима и переходного процесса при 033, используемые для выполнения защит от этого вида повреждений, рассмотрены принципы выполнения устройств защиты и сигнализации 033, применяемых в рассматриваемых се- тях и методы расчета их уставок. Замечания и пожелания по данной брошюре просим направлять по адресу: 109280, Москва, ул. Автозаводская, 14/23. Редакция журнала “Энергетик”. Авторы 4
ГЛАВА ПЕРВАЯ Режимы заземления нейтрали электрических сетей 6 - 10 кВ 1.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЯХ НА ЗЕМЛЮ Однофазные замыкания на землю являются преобладающим ви- дом повреждений в электрических сетях среднего напряжения 6 — 10 кВ (75 — 90 % общего числа электрических повреждений) и часто являются первопричиной аварий, сопровождающихся значи- тельным экономическим ущербом. В отличие от разновидностей коротких замыканий (трехфазное, двухфазное и т.д.) разновидности 033 существенно отличаются по форме и значениям электрических величин, подводимых к измери- тельным органам защиты от этого вида повреждений и, следователь- но, условиям функционирования последней. Все разновидности 033 можно разделить на две группы: устойчивые и неустойчивые. Устойчивые 033, имеющие место при наличии надежной гальвани- ческой связи поврежденной фазы с землей (металлическая связь, переходное сопротивление, устойчиво горящая дуга), характеризу- ются наличием в токах и напряжениях только принужденных со- ставляющих промышленной частоты и высших гармоник (рис. 1.1, а, б). Неустойчивые дуговые замыкания — основной вид 033 [1 — 8] — характеризуются прерывистой формой тока, в котором преобладают свободные составляющие переходного процесса с амплитудами, до- стигающими в зависимости от: суммарного емкостного тока сети /с1, удаленности точки 033 от шин, напряжения на поврежденной фазе в момент пробоя изоляции, параметров линий электрической сети и др. Все неустойчивые 033 условно можно разделить на две разно- видности: однократные самоустраняющиеся пробои изоляции — 5
Рис. 1.1. Разновидности 033 в электрических сетях 6 — 10 кВ: а — устойчивое 033 в сети с изолированной нейтралью; б — устойчивое 033 в компенсированной сети; в — кратковременный самоустранившийся про- бой изоляции; г — дуговое прерывистое 033 “клевки земли” и дуговые прерывистые замыкания — последователь- ность, в общем случае непериодическая, самоустраняющихся про- боев изоляции (рис. 1.1, б, в). Если повторные зажигания дуги про- исходят через небольшие интервалы времени (не превышающие примерно 0,1 с), 033 сопровождается накоплением зарядов на фа- зах и дополнительным смещением нейтрали сети. Такую разновид- ность 033 называют дуговым перемежающимся замыканием на землю. В сетях с изолированной нейтралью при дуговых перемежа- ющихся 033 минимальные бестоковые паузы между повторными пробоями изоляции обычно не превышают 40 — 50 мс, в некоторых случаях погасания и зажигания дуги могут повторяться каждый пе- риод или даже полупериод [3 — 6]. Длительность горения дуги между бестоковыми паузами обычно не превышает 20 — 40 мс [ 1, 2, 5, 6]. В компенсированных сетях с резонансной или близкой к ней настрой- кой дугогасящих реакторов (ДГР) паузы между повторными пробо- ями увеличиваются до 5 — 10 периодов [4]. При таких условиях по- вторные зажигания дуги не сопровождаются накоплением зарядов на фазах сети, и дуга приобретает прерывистый, но не перемежаю- щийся характер. 6
Прерывистый дуговой характер могут иметь 033 и в сетях с “вы- сокоомным” заземлением нейтрали [4]. При однократных самоуст- раняющихся пробоях изоляции длительность горения дуги может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков миллисекунд [ 3], при этом в токах и напряжениях, подводимых к защите от 033, содержатся практически только свободные составляющие. Кратко- временные 033, какправило[1, 3, 6, 8], предшествуют полным про- боям изоляции и, возникнув, неуклонно развиваются, переходя в дуговые прерывистые и устойчивые 033. По данным [5, 6] боль- шинство 033 в кабелях и электрических машинах в начальной ста- дии развития повреждения изоляции, продолжающейся, как мини- мум несколько минут, имеют дуговой прерывистый характер, при котором существенно снижается эффективность срабатываний за- щит от этого вида повреждений, основанных на использовании раз- личных составляющих установившегося тока 033. 1.2. РЕЖИМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ И СПОСОБ ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ Режимы заземления нейтрали определяют характер происходя- щих при 033 электромагнитных процессов, степень опасности раз- новидностей 033, ущербы от их последствий (внезапное или преду- смотренное отключение), условия безопасности людей и животных, находящихся вблизи места замыкания на землю, требования к за- щите от 033, принципы выполнения защиты и способы ее действия (на сигнал или на отключение). В соответствии с принятыми в России нормами [9] предусматри- вается работа рассматриваемых сетей с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов 033. В сетях 6 кВ собствен- ных нужд блочных электростанций допускается режим работы с за- землением нейтрали через резистор [10]. В последние годы на раз- личных совещаниях и в печати [например, 11 — 16] неоднократно подвергались обсуждению различные аспекты проблемы повыше- ния надежности электроснабжения и безопасности людей и живот- ных, связанные с режимами заземления нейтрали сетей 6—10 кВ, появились критические оценки существующих положений Правил устройства электроустановок [9] в части выбора режимов заземле- ния нейтрали и предложения по их совершенствованию. Во многих из указанных выше публикаций авторы отдают предпочтение систе- мам с “высокоомным” или “низкоомным” резистивным заземлени- ем нейтрали. Без оценки предлагаемых подходов ксовершенствова- 7
нию режимовзаземления нейтрали рассматриваемых сетей сформу- лировать общие требования к защите от 033 нельзя. Все разнообразие возможных режимов заземления нейтрали электрических сетей среднего напряжения 6 — 10 кВ можно разде- лить на две группы. К первой группе относятся режимы, допускающие работу сети с 033. Этот подход к заземлению нейтрали исходит из основного по- ложения, что замыкание одной фазы на землю не влияет на треуго- льник междуфазных напряжений, определяющий работу потреби- телей, поэтому нет необходимости в немедленном отключении. За- щита от 033 в сетях с такими режимами заземления нейтрали выполняется, как правило, с действием на сигнал. Основным требо- ванием к режиму заземления нейтрали в этом случае является созда- ние условий, обеспечивающих надежность функционирования сети с 033 на время, достаточное для отыскания поврежденного элемен- та и его отключения вручную без нарушения электроснабжения по- требителей. Такой подход к режиму заземления нейтрали и способу действия защиты от 033 позволяет предотвратить внезапность нару- шения электроснабжения потребителей, которая в большинстве от- раслей промышленности является основной причиной ущерба, обу- словленного отключением поврежденного элемента (17 — 20]. Ко второй группе относятся режимы, не допускающие работу сети с 033. Этот подход основан на предположении, что обеспечить до- статочно надежную работу сети с замыканием одной фазы на землю очень трудно, так как 033 представляет опасность не только для по- врежденного элемента, но и для всей электрической сети в целом, т.е. является дефектом в электроустановке, требующим немедлен- ного отключения поврежденного элемента и возвращения электри- ческой сети в нормальное, без смещения нейтрали, состояние. Основными требованиями к режиму заземления нейтрали в этом случае являются обеспечение высокой устойчивости функциониро- вания наиболее простых и надежных токовых защит от 033 и надеж- ности функционирования электрической сети в интервале времени от момента возникновения 033до его отключения защитой от этого вида повреждений. Основным недостатком данного подхода к вы- бору режима нейтрали и способа действия защиты от 033 является увеличение числа внезапных отключений поврежденного элемента и нарушений электроснабжения потребителей. При выборе подхода к режиму заземления нейтрали сетей 6 — 10 кВ необходимо учитывать следующие соображения. 1. Увеличение степени резервирования и автоматизации распре- делительных электрических сетей, систем электроснабжения и тех- 8
нологических процессов потребителей во многих случаях снизили остроту требования сохранения в работе (на ограниченное время) поврежденных при 033 элементов (линий, электродвигателей и др.). В связи с этим может быть существенно расширена область применения в сетях 6—10 кВ защит от 033 с действием на отключение. Действие защиты от 033 на отключение представляется необхо- димым или целесообразным при любом режиме заземления нейтра- ли в следующих случаях: на всех элементах, внезапное отключение которых не приводит к нарушению электроснабжения и технологического процесса у по- требителей (например, при наличии резерва); в электроустановках, где отключение 033 необходимо по требо- ваниям электробезопасности; на генераторах, мощных электродвигателях и в других случаях, когда ожидаемый ущерб от внезапного отключения поврежденного элемента меньше, чем ущерб от последствий длительного протека- ния тока 033 или перехода замыкания в КЗ (например, пожары в ка- бельных тоннелях вследствие дуговых перемежающихся 033, по- вреждения генераторов и электродвигателей, приводящие к длите- льному ремонту и простою технологического оборудования и др.). Во всех остальных случаях предпочтительнее действие защиты от 033 на сигнал (селективная сигнализация 033), позволяющее при определенных условиях выявить поврежденный элемент и отклю- чить его без нарушения электроснабжения потребителей. 2. Расширение области применения защиты от 033 с действием на отключение создает возможности для применения режимов за- земления нейтрали, не допускающих длительную работу сети с 033, но более эффективных в плане ограничения перенапряжений в пе- реходных режимах 033, исключения феррорезонансных процессов и т.п. (например, низкоомное заземление нейтрали вместо режима изолированной нейтрали или режима компенсации емкостных то- ков 033). 3. Подный отказ или значительное ограничение области приме- нения в сетях 6 — 10 кВ режимов заземления нейтрали, обеспечива- ющих возможность работы сети с 033 в течение ограниченного вре- мени, и соответственно, защиты от 033 с действием на сигнал (сиг- нализации 033) в настоящее время и в ближайшей перспективе вряд ли возможны по следующим причинам: на уровне распределительных сетей отключение от защиты линий может приводить к нарушению электроснабжения предприятий и отдельных районов; возможности избирательного отключения по- 9
требителей на этом уровне в большинстве случаев довольно ограни- чены, поэтому фактор внезапности нарушения электроснабжения играет наиболее существенную роль в величине обусловленного от- ключением ущерба; на уровне систем электроснабжения промышленных предприя- тий отключение от защиты элементов (линий, трансформаторов, электродвигателей) может приводить к необходимости отключения цехов, установок и вследствие этого останову или нарушению тех- нологического процесса; внезапность отключения в большинстве отраслей промышленности является основным фактором, влияю- щим на величину и характер ущерба. Таким образом, действие защиты от 033 на отключение прино- сит положительный эффект только при достаточно высокой степе- ни автоматизации и резервирования как электрической сети, так и технологических процессов у потребителей. Учитывая это, можно полагать, что в ближайшей перспективе при расширении области применения режимов заземления нейтрали, не допускающих длите- льную работу сети с 033 (например, низкоомного заземления ней- трали через резистор), в качестве основных режимов заземления нейтрали сетей 6 — 10 кВ сохранятся режимы, обеспечивающие воз- можность работы сети с замыканием на землю в течение ограничен- ного времени и, соответственно, действия защиты от 033 на сигнал. К таким режимам заземления нейтрали относятся: изолированная нейтраль (при ограниченных значениях суммар- ного емкостного тока сети [9]); резонансное заземление нейтрали (компенсация емкостного тока 033); высокоомное заземление нейтрали через резистор (при ограни- ченных значениях полного активно-емкостного тока 033). В [12] предлагается также комбинированный режим заземления нейтрали, представляющий собой сочетание резонансного и высо- коомного заземления нейтрали, сочетающий основные достоинства указанных режимов нейтрали. Выбор конкретного режима заземления нейтрали является резу- льтатом учета большого числа многообразных факторов. Важней- шими их них являются: надежность работы электрической сети с 033 в течение заданного времени, эффективность функционирова- ния защиты от 033, безопасность 033 для людей и животных, нахо- дящихся вблизи места повреждения, воздействие тока в месте по- вреждения наЛЭП. Основными факторами, влияющими на надежность работы элек- трической сети при 033, являются значение тока в месте поврежде- 10
ния, возможность возникновения феррорезонансных и резонанс- ных процессов, перенапряжения на неповрежденных фазах и ней- трали сети при неустойчивых дуговых замыканиях. При ограниченных значениях (см. ниже) ток 033 непосредствен- ной опасности для элементов электрической сети не представляет. Феррорезонансные процессы, приводящие к повреждениям обмо- ток трансформаторов напряжения (TH), переходящим в КЗ на ши- нах, практически могут возникать только в сетях с изолированной нейтралью и только при определенных соотношениях между емко- стью фаз сети и нелинейной индуктивностью TH [4]. Применение специальных антирезонансных TH типа НАМИ-6, НАМИ-10 в се- тях 6 — 10 кВ полностью исключает возможность возникновения феррорезонансных процессов при любых емкостях фаз сети на зем- лю. В таких условиях главными причинами аварий, возникающих вследствие 033, являются в большинстве случаев переходы послед- них в двойные и многоместные замыкания из-за перенапряжений на неповрежденных фазах в переходных режимах замыкания на зем- лю. Поэтому и вопрос о режимах заземления нейтрали электриче- ских сетей среднего напряжения исторически возник в связи с пере- напряжениями при неустойчивых дуговых 033. Максимальные значения перенапряжений зависят от условий протекания электромагнитных переходных процессов при замыка- нии на землю, т.е. связаны с разновидностями 033. При первом пробое изоляции в момент наличия на поврежденной фазе макси- мального напряжения в сети с любым режимом заземления нейтра- ли перенапряжения на неповрежденных фазах не превышают значе- ния 2,5 (/ф тах. При дуговых прерывистых 033 повторные зажигания дуги происходят через большие интервалы времени (более 0,1 с), когда напряжение на поврежденной фазе приближается к t/HOM. По- этому перенапряжения на неповрежденных фазах при повторных пробоях лишь незначительно отличаются от значения 2,5 тах. Наиболее опасными для сети являются дуговые перемежающие- ся замыкания, при которых перенапряжения на неповрежденных фазах в пределе могут достигать значений (3,5 — 3,6)U^max 21]. Хотя перенапряжения при дуговых перемежающихся 033 и не столь велики, но так как эти перенапряжения охватывают всю электриче- ски связанную сеть независимо от места замыкания на землю, весь- ма вероятны вторичные пробои в элементах с ослабленной изоля- цией (чаще всего в электродвигателях) и переход замыкания на зем- лю в двойные или многоместные повреждения, отключаемые релейной защитой от междуфазных КЗ. Кроме того, при дуговых пе- ремежающихся 033 действующее значение тока в месте поврежде- 11
ния может увеличиваться в несколько раз за счет влияния свобод- ных составляющих переходного тока [22]. Таким образом, при ограниченных значениях тока 033 в месте повреждения и обеспечении устойчивости электрической сети к феррорезонансам повышение надежности ее работы с замкнувшей- ся на землю фазой связано прежде всего с ограничением максималь- ных перенапряжений при дуговых 033, уменьшением вероятности или полным исключением возможности их возникновения. 1.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ РЕЖИМОВ ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ Изолированная нейтраль в соответствии с принятыми в России нормами применяется [9]: в сетях 3 — 20 кВ, имеющих железобетонные и металлические опоры на воздушных линиях (ВЛ), и во всех сетях 35 кВ при суммар- ном емкостном токе сети /сХ < 10 А; в сетях, не имеющих железобетонных и металлических опор на ВЛ: при номинальном напряжении сети Цюм = 3 — 6 кВ при /сХ < 30 А; при £/ном - 10 кВ при /сХ < 20 А; при Ц|ОМ - 15 - 20 кВ при /сХ < 15 А. Основные характеристики данного режима заземления нейтрали приведены в табл. 1.1. Эффективность режима заземления нейтрали сетей 6 — 10 кВ принято оценивать отношением числа 033, не перешедших в двой- ные замыкания (ДЗЗ) или междуфазные КЗ (МКЗ), отключаемые релейной защитой, к общему числу 033 [3]: 3=1- Ад33 + Амкз/^033 = ~ ^ДЗЗ + ^мкз/^дзз + ^МКЗ + ^КЗЗ + АГуЗз)’ О’1) где Адзз — число 033, перешедших в ДЗЗ; Амкз — число 033, пе- решедших в МКЗ; АОЗЗ — °бщее число 033; Акзз — число кратко- временных самоустранившихся 033; АУЗЗ — число устойчивых 033 (включая дуговые прерывистые). При больших значениях Л/)з3 отношение (Адз3 + ^мкз)/^озз характеризует вероятность перехода 033 в МКЗ/ сопровождаемое автоматическим (от защиты) отключением поврежденного элемен- та. Поэтому показатель эффективности режима заземления нейтра- ли Э можно рассматривать как частный показатель, характеризую- щий надежность функционирования электрической сети с замкнув- шейся на землю фазой. 12
Таблица 1.1. Характеристики режима изолированной нейтрали Достоинства Недостатки 1. Возможность работы сети с 033 в течение ограниченного времени до принятия мер по безаварийному отключению поврежденного эле- мента. 2. Не требуются дополнительная ап- паратура и затраты на заземление нейтрали. 3. Возможность самогашения дуги и самоликвидации части 033 (при ограниченных указанными выше значениями токах /сХ). 4. Безопасность длительного воздей- ствия перенапряжений, возникаю- щих в переходных режимах 033, для элементовс нормальной изоляцией. 5. Простое (в большинстве случаев) решение проблемы защиты и селек- тивной сигнализации устойчивых 033. 1. Высокая вероятность возникновения наиболее опасных дуговых перемежающихся 033. 2. Высокая вероятность вторичных пробоев изоля- ции и перехода 033 в двойные и многоместные за- мыкания за счет перенапряжений до 3,5 t/ф тах при дуговых замыканиях. 3. Значительное (в несколько раз) увеличение дей- ствующего значения тока в месте повреждения при дуговых перемежающихся 033 за счет свободных составляющих переходного процесса. 4. Возможность существенных повреждений элект- рических машин током вместе повреждения, преж- де всего, при дуговых перемежающихся 033. 5. Возможность возникновения феррорезонансных процессов в сети и повреждений TH. 6. Высокая степень опасности для человека и жи- вотных, находящихся вблизи места 033. 7. Ограничения по величине /сХ на развитие сети. 8. Высокая степень помех поЛЭП при дуговых 033. Показатель эффективности режима заземления нейтрали Э элек- трических сетей 6—10 кВ, работающих с изолированной нейтра- лью, в большинстве случаев не превышает 0,7. Опыт эксплуатации кабельных сетей 6— 10 кВ различного назначения, работающих с изолированной нейтралью, показывает, что эффективность режима заземления нейтрали, как правило, существенно меньше указанно- го уровня: в сетях, имеющих 7cZ > 5 - 10 А; в сетях, содержащих электродвигатели (имеющие меньшие изо- ляционные запасы по сравнению с другими элементами); в сетях, имеющих пониженный уровень изоляции вследствие плохой эксплуатации, изношенности изоляции элементов сети, влияния условий окружающей среды, тяжелых условий работы электрооборудования и др. Следует отметить, что указанные выше предельные значения /с1 при которых допускается работа сети с изолированной нейтралью^ определенные из условий самогашения дуги тока 033, приняты еще в тридцатых годах. Из изложенного следует, что изолированная нейтраль — наиме- нее эффективный по совокупности показателей режим работы ней- трали. Режим изолированной нейтрали может обеспечивать прием- лемые показатели эффективности в основном в воздушных сетях 13
6 — 10 кВ, имеющих большие запасы прочности по изоляции, при соответствующей эксплуатации и принятии мер для исключения феррорезонансных процессов. Большинство специалистов предла- гают уменьшить предельные значения /с1 для сетей, работающих с изолированной нейтралью, или полностью отказаться от использо- вания режима изолированной нейтрали, прежде всего в кабельных сетях 6—10 кВ. Резонансное заземление нейтрали через дугогасящий реактор (компенсация емкостного тока 033) в соответствии с требованиями [9] должна применяться во всех случаях, когда суммарный емкост- ный ток электрической сети превышает указанные выше преде- льные для режима изолированной нейтрали значения. Основные характеристики резонансного заземления нейтрали через дугогасящий реактор (ДГР) приведены в табл. 1.2. Таблица 1.2. Характеристики режима резонансного заземления нейтрали Достоинства 1. Возможность работы сети с 033 до принятия мер по безаварийному отключению поврежден- ного элемента. 2. Уменьшение тока в месте повреждения (при резонансной настройке ДГР остаточный ток со- держит только неком пенс ируемые активную со- ставляющую и высшие гармоники). 3. Значительное снижение скорости восстанов- ления напряжения на поврежденной фазе после обрыва дуги тока 033. 4. Высокая вероятность (с учетом лп. 2 и 3) само- гашения дуги и самоликвидации большей части 033 (при ограниченных значениях остаточного тока в месте повреждения). 5. Практически исключается возможность воз- никновения дуговых перемежающихся 033. 6. Уменьшение кратности перенапряжений на неповрежденных фазах по сравнению с изолиро- ванной нейтралью (до значений 2,5(7ф ном при первом пробое изоляции или дуговых прерыви- стых 033), 7. Безопасность длительного воздействия пере- напряжений в установившемся и переходном ре- жимах 033 для элементов с нормальной изоля- цией. 8, Исключается возможность возникновения феррорезонаисных процессов в сети. 9. Уменьшение влияния дуговых 033 на линии связи. Недостатки 1. Дополнительные затраты на заземле- ние нейтрали через ДГР и устройства для автоматического управления на- стройкой компенсации. 2. Трудности с решением проблемы за- щиты и селективной сигнализации 033, 3. Возможность возникновения преры- вистых дуговых 033, сопровождаю- щихся перенапряжениями на непо- врежденных фазах до 2,5 t/ф тах. 4. Увеличение вероятности возникно- вения дуговых прерывистых 033 и мак- симальных перенапряжений на непо- врежденных фазах до (2,6 - 3)(/ф тах при расстройках компенсации. 5. Возможность (с учетом пп. 3 и 4) вто- ричных пробоев в точках сети с ослаб- ленной изоляцией. 6. Невозможность скомпенсировать (без использования специальных устройств) в месте повреждения активную состав- ляющую и высшие гармоники. 7. Увеличение (с учетом п. 6) остаточ- ного тока в месте повреждения с рос- том суммарного емкостного тока сети 8. Ограничения (с учетом п. 7) на раз- витие сети. 14
По мнению многих специалистов резонансное заземление ней- трали сети является одним из самых эффективных средств борьбы с негативными последствиями 033 без немедленного отключения поврежденного элемента [3]. Применение резонансного заземления нейтрали в принципе позволяет повысить эффективность режима заземления нейтрали 9 до значений 0,8 — 0,9 и более [3, 4, 23]. Од- нако, несмотря на, казалось бы, очевидные преимущества резонанс- ного заземления нейтрали, опыт эксплуатации показывает, что на- ряду с сетями, имеющими высокие показатели эффективности Э, большое число компенсированных сетей имеет показатели эффек- тивности, сопоставимые или даже худшие, чем сети с изолирован- ной нейтралью. Основными причинами такого положения в ком- пенсированных сетях, как правило, являются следующие: отсутствие в компенсированных сетях устройств автоматической настройки компенсации или их недостаточное техническое совер- шенство, в результате настройка ДГР может существенно отличать- ся от резонансной; недостаточное техническое совершенство ДГР, выпускаемых промышленностью (например, большая разность токов смежных ответвлений, отсутствие ДГР на малые токи и т.п.); несимметрия сетей (главным образом, воздушных) по фазным проводимостям на землю; большие значения остаточного тока в месте 033 при больших (сотни ампер) значениях /сХ из-за влияния некомпенсируемых ДГР активной составляющей и высших гармоник; недостаточное техническое совершенство устройств защиты и се- лективной сигнализации 033, приводящее к необходимости искус- ственного увеличения остаточного тока в месте повреждения для обеспечения требуемой устойчивости их функционирования или к увеличению времени поиска поврежденного элемента. При резонансной настройке ДГР остаточный ток 033 в месте по- вреждения содержит только не компенсируемые активную состав- ляющую и высшие гармоники. Активная составляющая в компенсированных сетях обычно сос- тавляет 5 — 7 % 7cS [3]. Доля высших гармонических составляющих в остаточном токе 033 может составлять от единиц до 10 и более про- центов /сХ. При суммарном емкостном токе сети /с1 = 200 ч- 300 А и более остаточный ток 033 даже при резонансной настройке ДГР может достигать 20 — 30 А и более, что превышает предельные по условиям самогашения дуги тока замыкания значения. Поэтому при больших значениях /с1 (сотни ампер) компенсация емкостного тока 033 не всегда дает эффект. В подобных случаях необходимо либо де- 15
ление сети на электрически не связанные части, либо переход к дру- гому режиму заземления нейтрали. Таким образом, основной причиной недостаточной эффектив- ности режима заземления нейтрали сетей, работающих с компенса- цией емкостного тока 033, как правило, является отсутствие комп- лексного подхода к решению возникающих при ее применении проблем или ее применение в условиях, при которых она заведомо не может дать ожидаемого эффекта. Заземление нейтрали через резистор в электрических сетях средне- го напряжения достаточно широко применяется во Франции, Гер- мании и некоторых других странах [24, 25]. Принято различать два варианта заземления нейтрали через резистор: высокоомное и низ- коомное. При высокоомном заземлении нейтрали сопротивление /{за- земляющего резистора выбирается из условия R= (1 + 2)ХсЕ, (1.2) где XcZ = HOM//cS — суммарное емкостное сопротивление сети. При выборе сопротивления заземляющего резистора из условия (1.2) эффект накопления зарядов на фазах сети при дуговом переме- Таблица 1.3. Характеристики режима высокоомного заземления нейтрали через резистор Недостатки 1. Дополнительные затраты на зазем- ление нейтрали сети через резистор. 2, Увеличение тока в месте поврежде- ния. 3. Возможность возникновения пре- рывистых дуговых 033, сопровождаю- щихся перенапряжениями на непо- врежденных фазах до 2,5 t/ф ном. 4. Возможность (с учетом п. 3) вторич- ных пробоев в точках сети с ослаблен- ной изоляцией. 5, Ограничения на развитие сети по ве- личине /су 6. Утяжеление условий гашения дуги в месте повреждения по сравнению с се- тями, работающими с изолированной нейтралью или с компенсацией емко- стного тока 033. 7, Большая мощность заземляющего резистора (десятки киловатт) и проб- лемы с обеспечением его термической устойчивости при устойчивых 033. Достоинства I. Возможность работы сети с 033 до принятия мер по безаварийному отключению поврежден- ного элемента (при ограниченных значениях тока замыкания в месте повреждения). 2. Возможность самогашения дуги и самоликви- дации части 033 (при ограниченных значениях тока 033 в месте повреждения). 3, Практически исключается возможность воз- никновения дуговых перемежающихся 033. 4. Уменьшение кратности перенапряжений на неповрежденных фазах по сравнению с изолиро- ванной нейтралью (до значений 2,5 t/ф ном при первом пробое изоляции или дуговых прерыви- стых 033). 5. Безопасность длительного воздействия пере- напряжений в переходных режимах 033 для эле- ментов с нормальной изоляцией. 6. Практически исключается возможность воз- никновения феррорезона нс ных процессов в сети, 7. Простое решение проблемы защиты и сигна- лизации устойчивых 033. 16 J
жающемся 033 сводится к минимуму, и перенапряжения на непо- врежденных фазах при повторных зажиганиях дуги не превышают значений (2,4 - 2,5) £/ф ном. Основные характеристики высокоомного заземления нейтрали приведены в табл. 1.3. Если принять, что при высокоомном заземлении нейтрали ток замыкания на землю не должен превышать предельных значений, принятых для сети с изолированной нейтралью, то при R = ХС1 сум- марный емкостный ток сети 7cS должен быть в V2 раз меньше, чем для сети с изолированной нейтралью. Поэтому область применения высокоомного режима заземления нейтрали будет еще более огра- ничена (по значению /с1), чем режима изолированной нейтрали. По мнению многих специалистов применение высокоомного режима заземления нейтрали целесообразно прежде всего в сетях с 1/ном = 6 — 10 кВ при /с2 не более 5 — 10 А [12]. К таким сетям отно- сятся, в частности, большинство воздушных сетей 6—10 кВ, непро- тяженные кабельные шахтные, карьерные сети, сети торфоразрабо- ток и др. При низкоомном заземлении нейтрали через резистор минимальное значение тока 033 в месте повреждения ограничивается двумя условиями: обеспечение устойчивости функционирования простых токовых защит нулевой последовательности от 033 во всех режимах работы сети; полное исключение возможности возникновения наиболее опас- ных дуговых перемежающихся 033. В зависимости от параметров электрической сети и линий усло- вия устойчивости функционирования токовых защит нулевой по- следовательности обеспечиваются при значениях тока 033 от десят- ков до сотен ампер [10, 24]. Для исключения возможности возник- новения дуговых перемежающихся 033 минимальное значение тока замыкания по данным [25] должно быть не менее 100 А. При указанных значениях тока 033 защита от этого вида повреждений должна действовать только на отключение. Максимально допустимое значение тока 033 ограничивается условием недопущения серьезных повреждений элементов сети за время действия защиты. Основные характеристики низкоомного заземления нейтрали приведены в табл. 1.4. Основным недостатком низкоомного заземления нейтрали явля- ется возможность существенного увеличения числа отключений элементов сети из-за переходов кратковременных самоустраняю- 17
Таблица 1.4. Характеристики режима инзкоомного заземления нейтрали че- рез резистор Достоинства I. Практически исключается возможность дальнейшего развития повреждения, на- пример, перехода 033 в двойное замыка- ние на землю или междуфазное КЗ (при быстром отключении поврежденного эле- мента). 2. Простое решение проблемы зашиты от 033. 3, Полностью исключается возможность возникновения дуговых прерывистых 033 (при достаточном для их подавления зна- чении накладываемого активного тока). 4. Уменьшается длительность воздействия на изоляцию элементов сети перенапря- жений на неповрежденных фазах в пере- ходных режимах 033. 5. Исключается возможность возникнове- ния феррорезона нс ных процессов в сети. 6. Уменьшается вероятность поражения людей или животных током 033 в месте повреждения. Недостатки 1, Дополнительные затраты на заземление нейтрали сети через резистор. 2. Невозможность работы сети с 033. 3. Увеличение числа отключений оборудова- ния и линий из-за переходов кратковремен- ных самоустраняющихся (при других режи- мах заземления нейтрали) пробоев изоляции в полные (завершенные) пробои. 4. Возможность увеличения в некоторых слу- чаях объема повреждения оборудования (из-за увеличения тока 033). 5, Возможность возникновения дуговых пре- рывистых 033 при недостаточно больших значениях накладываемого активного тока. 6. Возможность вторичных пробоев в точках с ослабленной изоляцией за счет перенапряже- ний на неповрежденных фазах (при первом пробое изоляции до 2,5 (Уф ном), до отключе- ния защитой поврежденного элемента. 7. Увеличение числа отключений выключате- лей элементов сети, щихся (при других режимах заземления нейтрали) пробоев изоля- ции в устойчивые повреждения. Опыт применения низкоомного заземления нейтрали в сети 6 кВ собственных нужд Рефтинской ГРЭС, показал, что число отключе- ний электродвигателей на секциях с низкоомным заземлением ней- трали оказалось больше, чем на секциях, работающих с изолирован- ной нейтралью или с компенсацией емкостного тока [26]. Увеличе- ние числа отключений элементов сети при недостаточной степени автоматизации и резервирования электрической сети и технологи- ческих процессов потребителей может привести к увеличению ущербов от 033, т.е. к снижению надежности. Уменьшить число излишних отключений элементов в сетях, ра- ботающих с низкоомным заземлением нейтрали, можно при испо- льзовании быстродействующего автоматического кратковременно- го заземления (АЗФ) поврежденной фазы, обеспечивающего эф- фективное самогашение дуги в большинстве случаев пробоев изоляции на землю [24]. Однако в России, несмотря на наличие со- ответствующих разработок [6], необходимая для реализации быст- родействующего АЗФ аппаратура промышленностью не выпускается. 18
С учетом сказанного, низкоомное заземление нейтрали целесо- образно применять только в тех сетях, где допустимо (с учетом усло- вий электрического и технологического резервирования, степени автоматизации распределительных сетей, систем электроснабже- ния, технологических процессов) отключение любого элемента сети. Сочетание резонансного и высокоомного режима заземления нейтрали, предложенное в [12], предполагает шунтирование ДГР резистором, выбранным из условия: RN=V^I3, (1.3) где Д/3 = |7дГр — 1С\ — ток расстройки компенсации. Применение высокоомного резистора, шунтирующего ДГР, при- водит к прекращению биений напряжения на фазах после погаса- ния дуги даже при достаточно больших расстройках компенсации и уменьшает кратности перенапряжений на неповрежденных фазах до значений 2,5. К достоинствам данного режима заземления ней- трали следует отнести также улучшение режима работы сети с боль- шой несимметрией емкостей фаз на землю. Недостатком является некоторое увеличение тока в месте повреждения и увеличение веро- ятности повторных зажиганий дуги. 1.4. ФИКСАЦИЯ КРАТКОВРЕМЕННЫХ САМОУСТРАНЯЮЩИХСЯ ПРОБОЕВ ИЗОЛЯЦИИ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЖИМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕЙТРАЛИ Исследования различных авторов показывают, что доля кратко- временных 033 в общем числе 033 составляет 70 90 %. Как изве- стно, селективную и устойчивую фиксацию кратковременных само- устраняющихся пробоев изоляции в сетях с любым режимом зазем- ления нейтрали позволяют осуществить только устройства защиты от 033, основанные на использовании электрических величин пе- реходного процесса. Использование переходных процессов, возни- кающих в момент пробоя изоляции фазы на землю, для выполнения защиты от 033 впервые было предложено еще в 1936 г. Н. Neuge- bauer с основной целью фиксации кратковременных самоустраняю- щихся повреждений [27]. Фиксация кратковременных самоустраня- ющихся пробоев изоляции представляется целесообразной прежде всего в элементах с твердой или комбинированной изоляцией (кабе- ли, электродвигатели, генераторы). В такой изоляции повреждение, как правило, не является преходящим, и возникнув, впоследствии 19
неуклонно развивается. Меньший эффект от фиксации кратковре- менных самоустраняющихся пробоев изоляции следует ожидать на ВЛ, где значительная часть пробоев изоляции носит преходящий характер. Оценим влияние фиксации кратковременных самоустраняю- щихся пробоев изоляции и использования информации о них для целей диагностики изоляции элементов электрической сети на эф- фективность режима заземления нейтрали. Уравнению (1.1) можно поставить в соответствие модель функ- ционирования электрической сети при 033, приведенную на рис. 1.2. Вероятности нахождения сети в /-м состоянии связаны между со- бой и с эффективностью режима заземления нейтрали Эследующи- ми соотношениями: Р1 + Р2 + Р3 + Р4=1; Р, + Р2 = 3; Р3 + Р4=1-Э. Приведенная на рис. 1.2 модель не учитывает возможности испо- льзования информации о кратковременных самоустраняющихся пробоях для профилактики изоляции. Для построения такой модели примем, что при действии защиты от 033 на сигнал к внезапным от- казам (автоматическому отключению от защиты) приводит переход пробоя изоляции в КЗ (двойное или междуфазное КЗ). При постро- ении модели приняты также следующие условия: модель должна отражать установленные на основе опыта эксплу- атации электрических сетей статистические закономерности, ха- рактеризующие эффективность режима заземления нейтрали и со- Рис. 1.2, Диаграмма состояний элек- трической сети нрн возникновении 033: HPq — нормальный режим работы сети (без 033); ПИ — пробой изоля- ции фазы сети на землю; КЗЗ — кратковременное самоустранивше- еся 033; УЗЗ — устойчивое 033; ДЗЗ — двойное (или многоместное) замыкание; МКЗ— междуфазное КЗ в месте повреждения; АО — автома- тическое отключение поврежденно- го элемента от защиты; РО — ручное отключение поврежденного эле- мента при устойчивом повреждении 20
Рис. 1.3. Диаграмма состояний электрической сети при возникновении 033 н ис- пользовании информации о кратковременных самоустраняющихся нробоях изо- ляции для профилактики изоляции н действии защиты от 033 на сигнал: HPQ, ПИ, КЗЗ, ДЗЗ, МКЗ, УЗЗ, АО, РО, Рг, Р^, Р3, Р4 — то же самое, что и на рис. 1.2; НР}, НР2 — состояние электрической сети с ослабленной изоляцией в точке пробоя; ПИИХ — профилактические испытания и восстановление изоляции отношения между различными исходами пробоя изоляции на землю; после профилактических испытаний и восстановления изоляции поврежденного элемента сеть возвращается в исходное состояние (нормальный режим); параметры модели должны определяться на основе известных статистических данных о повреждаемости в электрических сетях. Диаграмма состояний электрической сети при возникновении пробоев изоляции, построенная с учетом изложенных выше усло- вий, приведена на рис. 1.3. Определяя полную вероятность внезапного отключения от защи- ты поврежденного элемента, отнесенную к одному случаю пробоя изоляции, из рис. 1.3 получим: 1 1 -а"+1(1 -К У'+1 ''АО V ч-7пр’ 1 „ /1 If \ ’ (1.4) где акр = jV^33 /jVq33 — Д°ля кратковременных самоустраняющихся пробоев изоляции в общем числе 033; = А^роф/Мсзз = ^5 — коэффициент использования информации о кратковременных про- боях для профилактики изоляции; Упроф — число кратковременных пробоев изоляции, после которых проводились профилактические 21
испытания изоляции; Р5 + Р6 = 1, п — число кратковременных про- боев изоляции, предшествующих полному пробою. Значение Эпр определяется из условия равенства эффективности режима заземления нейтрали для модели на рис. 1.3 и для реальной электрической сети при Хисп = 0: Э ^пр = 1 -п(\-Э) 1 -а кр 1 -а л + 1 кр (1.5) Из (1.4) с учетом (1.5) получим: (1-«кр)[1-а;р(1-^Исп)"] Яр=1-^о = 1-(1-5)(1_чУ[ТТакр(1Т1исл)], (1.6) где Экр ~ эффективность режима заземления нейтрали, определен- ная с учетом фиксации кратковременных самоустраняющихся про- боев и использования информации о них для профилактики изоляции. Из (1.6) можно видеть, что возможность получения положитель- ного эффекта от фиксации кратковременных самоустраняющихся 033 определяется, в основном, возможностью практического испо- льзования информации о кратковременных пробоях для профилак- тики изоляции - коэффициентом использования Л^сп, значение которого зависит от того, достаточен ли интервал времени между появлением первого кратковременного пробоя и устойчивым по- вреждением для производства работ по отключению поврежденного элемента без нарушения электроснабжения потребителей. Для кабельных линий 6 — 10 кВ исследования такого рода впер- вые были проведены в 60-х годах в МКС (Г. М. Шалыт, А. Н. Фо- тий, П. И. Гехт [8]). Результаты этих исследований показали, что устойчивым повреждениям и выходам кабельных линий из работы (вследствие перехода 033 в КЗ) в подавляющем большинстве случа- ев предшествуют кратковременные самоустраняющиеся пробои изоляции, при этом интервалы времени от появления первой “мгновенной земли” до полного пробоя в 2/3 случаев составляют от 1 ч до 10 сут и более. По данным [6] в кабельных сетях систем элект- роснабжения промышленных предприятий каждому устойчивому 033 предшествуют, как правило, два-три кратковременных пробоя изоляции, а интервалы времени от появления первого кратковре- менного пробоя изоляции до полного (устойчивого) пробоя состав- ляют 40 — 50 мин и более. Исследования, проведенные ИГЭУ на Костромской ГРЭС и на ИвТЭЦ-2, показали, что в электродвигате- 22
лях 6 кВ устойчивому повреждению, как правило, предшествуют один-два кратковременных пробоя изоляции, при этом интервал от первого кратковременного пробоя до полного пробоя изоляции примерно в 30 % случаев 033 составляет от нескольких часов до не- скольких суток. С учетом результатов указанных выше исследований можно при- нять, что в кабельных сетях 6 - 10 кВ более, чем в 50 % случаев ин- тервал времени, равный интервалу от первого кратковременного пробоя до полного пробоя изоляции достаточен для профилактиче- ских испытаний изоляции поврежденного элемента (^исп>0,5). Для пробоев изоляции в электродвигателях А'ИС11 приближенно мож- но принять равным 0,3. Расчеты по выражению (5) при = 0,5; акр = 0,7; л = 2 ч- 3 показывают, что фиксацией кратковременных самоустраняющихся пробоев изоляции и использованием инфор- мации о них для профилактики изоляции можно повысить эффек- тивность режима заземления нейтрали кабельных сетей 6 — 10 кВ при Э = 0,7 ч- 0,9 до значений 0,85 — 0,95, т.е. предотвратить до 50 % внезапных отключений кабельных линий от переходов 033 в КЗ. Для электрических сетей с электродвигателями фиксацией кратко- временных пробоев изоляции можно предотвратить в среднем до 30 % внезапных отключений электродвигателей. Эти расчетные значения достаточно хорошо совпадают с практическими оценка- ми, полученными по результатам исследований в Московских ка- бельных сетях 6— 10 кВ [8], а также оценками, полученными в ИГЭУ по результатам исследований в кабельных сетях 6 кВ с электродви гателями. Используя полученную модель функционирования электриче- ской сети в условиях возникшего пробоя изоляции фазы на землю, можно оценить также ожидаемую кратность кратковременных 033 до полного пробоя. Сопоставление расчетных и реальных данных [8] и в этом случае дает хорошее совпадение. Таким образом, модель функционирования электрической сети с 033, приведенная на рис. 1.3, достаточно хорошо отражает основные статистические за- кономерности, характеризующие 033 и их последствия. 23
ГЛАВА ВТОРАЯ Электрические величины, используемые для действия защит от замыканий на землю 2,1. ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЕ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Защиты от 033 выполняются реагирующими на токи и напряже- ние нулевой последовательности (НП). Целесообразность исполь- зования составляющих НП для действия защит от 033 определяется тем, что в симметричной системе они отсутствуют в рабочих режи- мах и при междуфазных КЗ и появляются только при замыканиях фаз на землю. Такое выполнение защит от 033 обеспечивает значи- тельное повышение их чувствительности. В трехфазной сети переменного тока (рис. 2.1) при нормальной работе по фазам протекают токи нагрузки, а также токи, обуслов- ленные емкостями фаз на землю С()й, Сос. Токи, обусловленные Рис. 2.1. Векторные диаграммы напряжений н емкостных токов в нормальном рабочем режиме сети с изолированной нейтралью 24
активными проводимостями фаз сети на землю GqA GqB GqC(актив- ные проводимости утечек и потери в изоляции, проводимости TH контроля изоляции и др.), не превышают в сети с изолированной нейтралью 2 — 6 % емкостных токов [3, 21, 28] и при анализе уста- новившихся режимов без 033 и с 033 ими, как правило, можно пре- небречь. Емкости и активные проводимости между фазами сети не влияют на установившиеся значения электрических величин НП ив схеме рис. 2.1 не учтены. Если пренебречь падением напряжения в продольных сопротив- лениях ЛЭП и источника питания от токов нагрузки и емкостных токов, то напряжения во всех точках сети по отношению к нейтрали N можно считать одинаковыми и равными фазным ЭДС источника питания. Напряжения фаз по отношению к земле равны: U-B ~U-N + ’ U_C + Х_с,, (2.1) где UN — напряжение на нейтрали по отношению к земле (напряже- ние смещения нейтрали сети). Смещение нейтрали сети UN определяется по формуле U JLaYa+UbYb+UcILc ~N La+Lb + X.C (2.2) гДе Ха “ Хв “ Хс ~ В симметричной трехфазной сети CqA = CqB = CqC — Со смеще- ние нейтрали сети UN = 0 и UA~ ЕА, UB* Eg, Uc« Ес. При металлическом замыкании на землю какой-либо фазы, на- пример, фазы А, напряжение на нейтрали становится равным по ве- личине и противоположным по фазе напряжению поврежденной фазы по отношению к нейтрали: un=-ua = -ea. (2.3) Напряжения фаз по отношению к земле при 033 находятся из выражений (2.1) с учетом (2.3):
Рис. 2.2. Распределение емкостных токов при внутреннем (т. сплошная ли- ния) и внешнем (т. пунктирная линия) 033 в сети с изолированной нейтралью Из выражения (2.3) можно видеть, что при металлическом 033 на фазе Л напряжения на неповрежденных фазах Вн Спо отношению к земле повышаются до междуфазных, т.е. в V3 раз. При металлическом 033 на фазе А напряжение НП (сумма на- пряжений трех фаз по отношению к земле) с учетом (2.4) равно: ЗУо = У!},+Й’ + Ус =-3Ea=3Un. (2.5) Так как падения напряжения от токов нагрузки и емкостных то- ков в продольных сопротивлениях ЛЭП и источника питания, как отмечалось выше, ничтожно малы по сравнению с падениями на- пряжения на емкостных сопротивлениях, напряжение 3 С() в устано- вившемся режиме 033 практически одинаково в любой точке элект- рически связанной сети и не зависит от положения места поврежде- 26
ния в сети (за исключением повреждений в обмотках электрических машин и трансформаторов). Появление напряжения 3Uq и измене- ние фазных напряжений по отношению к земле используется для выполнения общей (неселективной) сигнализации 033и контроля изо- ляции фаз сети по отношению к земле или общей неселективной защи- ты от 033 (с действием на отключение). На рис. 2.2 показано распределение емкостных токов при внут- реннем и при внешнем для ЛЭП Лх 033. В схеме на рис. 2.2 линии Л] и представлены сосредоточенными емкостями фаз по отноше- нию к земле С0] и С02, вся остальная часть электрически связанной сети представлена эквивалентным присоединением с емкостью фаз на землю СОэк. При внешнем (для РЗ линии Лх) металлическом 033 (т. К32 на ли- нии Л2) ток НП в начале линии Л^ (сумма токов трех фаз в месте включения защиты) определяется емкостными токами на землю не- поврежденных фаз /1Ди /1С): 3£oi =L\b + L\c + ^}) = = —, (2.6) где w = 2я - 50» 314 1/с; — собственный емкостный ток ли- нии Лр Из выражения (2.6) следует, что при внешнем 033 в фазах непо- врежденной линии Л] проходят токи НП, определяемые собствен- ными емкостями этой линии (собственный емкостный ток /С1). Значение обычно определяют, принимая Ел « ном: = 1^15 + Лс1 = = 3шС01^ф. ИОМ- <2-7) При внутреннем 033 (т. К31 на линии 7^) ток 5/()] в месте включе- ния защиты равен (рис. 2.2): 341 = (Ав + Ас+Ав + Ас + + 4кс)+ Ав + Ас ~ = -(/25 + Ac + -эк5 + 4кс) =/MCq2 + О0эк )£л = =/Зсо(Cqs — С0| )Ед — —j3(&(CQZ — со] )Uq — — + 7С], (2.8) где С(Е = С0| + С02 + СОэк — суммарная емкость фазы сети на зем- лю; 4s = lei + lei + /сэк — суммарный емкостный ток всей элект- рически связанной сети. 27
Рис. 2.3. Векторные диаграммы токов н напряжений при внешнем (а ) и внутрен- нем (б) 033 в сети с изолированной нейтралью Значение /^определяется при ЕА » U$ ном по выражению п /cL " ~ ном ” 2L Ci > i=l (2-9) где /С( — собственный емкостный ток z-го присоединения; п — чис- ло присоединений, подключенных к шинам защищаемого объекта. Ток в месте повреждения при 033 в т. = 37 оз1 = (L\b + Lie + Lib + Lie + L3Kb + £экс) “ (2.10) - = -j^c^-iLo= ~Lc%- На измерении и сравнении значений тока 3/0 в защищаемом при- соединении с заданной постоянной величиной (током срабатыва- ния защиты) при внутренних и при внешних 033 основан принцип действия селективной токовой защиты НП (принцип “абсолютного замера”тока 31$. Из (2.6) и (2.8) можно видеть, что принцип абсо- лютного замера тока 3/0 для выполнения селективной защиты от 033 применим, если (ДЕ - ) > 1С1. Для объектов с достаточно большим числом присоединений, как правило, выполняется соот- ношение Lx > ?сг Для таких объектов ток 3/0 в поврежденном при- соединении всегда больше, чем в любом из неповрежденных. Срав- нивая значения токов 3/0 во всех присоединениях защищаемого объекта между собой, можно определить поврежденное присоеди- 28
нение. Этот способ определения присоединения с 033 используется в централизованной токовой защите '‘относительного замера ”. Фазовые соотношения электрических величин НП при устойчи- вом металлическом 033 иллюстрируются векторной диаграммой на рис. 2.3. Из рис. 2.3, а и б можно видеть, что при выбранных услов- ных положительных направлениях токов НП в линиях от шин ток 3Iq в поврежденном присоединении отстает, а в неповрежденном присоединении опережает напряжение 34/О на угол л/2. Измеряя фазу тока 3/() по отношению к напряжению 3t/0 (т.е. определяя знак и соответственно направление передачи мощности НП в защищаемом присоединении при выбранных положительных направлениях тока 3/0 в линиях) можно определить направление с 033. Этот способ определения поврежденного присоединения ис- пользуется в токовой направленной защите (абсолютного замера) от 033. Следует отметить, что в сети с изолированной нейтралью пол- ная мощность НП, передаваемая при 033 по линиям, практически равна реактивной составляющей мощности. Для действия токовой направленной защиты в принципе можно использовать и активную составляющую мощности НП. Однако, учитывая малое значение активной составляющей токов 3/0 (несколько процентов от емкост- ной составляющей), в сети с изолированной нейтралью направлен- ную защиту целесообразно выполнять, как правило, реагирующей на полную мощность НП. Фазы токов 3/0 в поврежденном и неповрежденном присоедине- ниях всегда противоположны (например, токов 3/Oj и 3/02 на рис. 2.3). Сравнивая фазы токов 3/0 во всех присоединениях защи- щаемого объекта между собой, можно определить поврежденное присоединение. Этот способ используется в централизованной токо- вой направленной защите относительного замера. Практическое применение в сетях, работающих с изолированной нейтралью, получили общая неселективная сигнализация 033 (за- щита от 033) по напряжению 3j/0, токовая защита Н П (абсолютного Рис. 2.4. Схема замещения для расчета тока н напряжения нулевой последовате- льности при 033 в обмотке электрической машины пли трансформатора 29
замера) и токовая направленная защита, реагирующая на направле- ние мощности НП в защищаемой линии при 033. Приведенные выше соотношения получены для случая металли- ческого 033 на линии или на выводах источника питания. Замыка- ния на землю обычно происходят через переходные активные со- противления /?п (сопротивление растеканию тока 033, тлеющей изоляции, дуги, опоры Л ЭП и др.). Наряду с рассмотренными могут также иметь место 033 в обмотке трансформатора или электриче- ской машины (например, т. на рис. 2.2). Используя метод сим- метричных составляющих и метод наложения, схему сети на рис. 2.2 при 033 в т. Хзз через переходное сопротивление /?п можно преоб- разовать в вид, показанный на рис. 2.4. В контуре НП в режиме с 033 действует ЭДС, равная напряже- нию в месте замыкания в момент, предшествующий возникнове- нию повреждения, взятому с обратным знаком: — U3A ~ где а — относительное число витков обмотки между нейтралью и местом повреждения в обмотке. Изсхемынарис. 2.4 для тока 31$ и напряже- ния 3 Uq в месте 033 получим: /0) а--А +1 / /wCqj-; (2.11) = (2.12) При 033 через переходное сопротивление на линии или на выво- дах источника питания (например, т. на рис. 2.2) в выражениях (2.11) и (2.12) следует принять а = 1. Уменьшение напряжения 3f/0 и токов НП в присоединениях и месте повреждения при 033 через переходное сопротивление при- нято характеризовать коэффициентом полноты замыкания Ь = Ц/иф. ном = 1/11 +>СОЕЛП| < 1. (2.13) При 033 через переходное сопротивление фазные соотношения между напряжением 3Z7() и токами З/q в поврежденном и неповреж- денных присоединениях, как можно видеть из схемы замещения рис. 2.4 не меняются. 30
2.2. ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЕ НП В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ЗАЗЕМЛЕНИЕМ НЕЙТРАЛИ ЧЕРЕЗ РЕЗИСТОР Распределение токов при 033 в сети с заземлением нейтрали че- рез резистор показано на рис. 2.2 (контур протекания тока заземля- ющего резистора [R при внутреннем и внешнем 033 показан штрих-пунктирной линией). Из рис. 2.2 можно видеть, что ток [R протекает только в месте 033 и в поврежденной линии. Поэтому при внешнем 033 (т. Xj2)tok3/01 в неповрежденной линии Лх, как и в сети с изолированной нейтралью, определяется выражением (2.6) и равен собственному емкостному току неповрежденной линии /С1. При внутреннем 033 (т. Х^) ток 3/01 в поврежденной линии Лх равен: 3/qi = - (/iв + /1 с + /2д + Lie + 4кД + 4кС> + + LXB + LXc-LR. (2.14) Если пренебречь падением напряжения оттока/лна продольных сопротивлениях поврежденной линии и источника питания, как и в сети с изолированной нейтралью можно принять, что Ц, ~ UN« — Ед. С учетом этого допущения выражение (2.14) для тока 3/01 при внутреннем 033 примет вид: 34i =ZMC02 + О)эк)^л ~ LL^/R = —/Зю( — Со ।) Ед + Ед/ R = = -/Зш(С0Е - ОиЩ) - Uq/R = + lcx - IR. (2.15) Ток в месте повреждения при 033 в любой точке сети при приня- том выше допущении равен: /з? = З4)31 = = -(/1 в +1\ с + Lib + 4с + 4кл + 4кС> ~ Lr = —/ЗтС^Ед + Ед/R J3<£>CqyILq — Uq/R = = —1cy~~Lb- (2.16) Фазовые соотношения электрических величин при внутреннем и внешнем 033 для сети с высокоомным заземлением нейтрали (R « XcZ) показаны на рис. 2.5. Из выражений (2.14) — (2.16) и векторных диаграмм можно ви- деть, что заземление нейтрали сети через резистор, не изменяя зна- чения тока 3/0 в неповрежденных присоединениях, увеличивает ток 31
Рис. 2.5. Векторные диаграммы токов н напряжений при внешнем (а ) н внутрен- нем (б ) 033 в сети с высокоомным заземлением нейтрали НП в поврежденном присоединении, что обеспечивает увеличение устойчивости функционирования токовых защит абсолютного и от- носительного замера по сравнению с сетями с изолированной нейтралью. Заземление нейтрали сети через резистор не изменяет также и угол сдвига по фазе между напряжением 3U$ и токами 31$ в непо- врежденных присоединениях (—л/2, на рис. 2.5). Угол сдвига по фазе между напряжением 3U$ и током 31$ в поврежденном присое- динении при высокоомном заземлении нейтрали сети увеличивает- ся примерно до значения Зп/4 в сети с высокоомным заземлением нейтрали (при R ~ A"cS). За счет этого уменьшается примерно до зна- чений Зл/4 угол сдвига по фазе между токами 3/0 в поврежденном и неповрежденных присоединениях (в сети с изолированной нейтра- лью он равен л, рис. 2.3). При низкоомном заземлении нейтрали сети IR > IcY и ток 3/0 в поврежденной линии, а также ток в месте 033 примерно равны IR. Угол сдвига по фазе между напряжением и указанными тока- ми примерно равен л. Из приведенных соотношений для электрических величин НП и векторных диаграмм можно видеть, что в сетях с высокоомным за- землением нейтрали в принципе применимы все способы выполне- ния защиты от 033, используемые в сетях с изолированной нейтра- 32
лью. Увеличение тока З/q в поврежденном присоединении за счет активной составляющей IR обеспечивает повышение чувствитель- ности токовых защит при внутренних 033. Токовые направленные защиты в сетях с высокоомным заземлением нейтрали можно вы- полнять каке контролем реактивной, так и активной мощности НП влиниях. В сетях с низкоомным заземлением нейтрали IR^ /3 » /о, и наиболее простое и достаточно эффективное решение дает испо- льзование токовых защит НП (абсолютного замера). Значения и фазные соотношения электрических величин НП при 033 в сети с рассматриваемым режимом заземления нейтрали через переходное сопротивление или в обмотке электрической ма- шины или трансформатора могут быть найдены из схемы замеще- ния на рис. 2.4. При заземлении нейтрали сети через резистор в схе- ме замещения параллельно емкости COz подключается заземляю- щий резистор R. 2.3. ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЕ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В КОМПЕНСИРОВАННОЙ СЕТИ Распределение токов при 033 в сети с компенсацией емкостных токов показано на рис. 2.2 (контур протекания тока Д ГР // при внут- реннем и внешнем 033 аналогичен контуру протекания тока /л). Как и ток заземляющего резистора 1R, ток Д ГР IL протекает только в месте 033 и в поврежденной линии. Поэтому при внешнем 033 (т. ток 3/01 в неповрежденной линии 7/j. как и в сети с изолиро- ванной нейтралью равен: 32О1=Ля+/|с=/с1- (217) Ток в месте повреждения при 033 в любой точке сети равен: Z.3? = -Ц)31 = = - (Iib + /\с + Ьв + he + 4кс) - h = = (2.18) При резонансной (оптимальной) настройке индуктивное сопро- тивление ДГР равно емкостному сопротивлению сети по отноше- нию к земле 33
Рис. 2.6. Векторные диаграммы токов н напряжений при внешнем (а ) н внутрен- нем (б) 033 в сети с резонансным заземлением нейтрали X£=fi>Z. = JcZ=-^- (2.19) При этом индуктивный ток ДГР IL — —!&•> и ток в месте повреж- дения равен нулю. При внутреннем (т. 033 ток в поврежденной линии соот- ветственно равен: 32о! = (1\ В + А С + ~2В + he + 4к5 + 4кс) + + /1 в + h с - h = ~kz + ~ h = hj\ (2.20) Из выражений (2.17) и (2.19) можно видеть, что при резонансной (оптимальной) настройке ДГР токи 3/01 как при внешнем, так и при внутреннем 033 равны собственному емкостному току/С1 защища- емой линии т.е. одинаковы по значению и по фазе. Фазовые соотношения электрических величин при внутреннем и внешнем 033 для сети с резонансным заземлением нейтрали пока- заны на рис. 2.6. Поэтому соотношения значений токов 3/() в присоединениях за- щищаемого объекта (т.е. способы абсолютного и относительного заме- ра полных токов 37q), а также фазные соотношения полных токов 31$ и напряжения 3 U$ (т.е. способы абсолютного и относительного замера направления полной или реактивной мощности НП в присоединениях за- щищаемого объекта) в сети с резонансной настройкой компенсации в общем случае не могут быть использованы для выполнения селек- тивной сигнализации или защиты от 033. 34
Компенсированные сети обычно должны работать с резонансной настройкой или, с учетом возможного в эксплуатации уменьшения значения /сХ, с небольшой перекомпенсацией (// > /сЕ) и результи- рующим индуктивным током В режиме перекомпенсации на- правления (фазы) токов в поврежденной и неповрежденных линиях также одинаковы, поэтому для действия направленной защиты в ком- пенсированной сети можно использовать только активный ток, кото- рый не превышает нескольких процентов от Поэтому токовая направленная защита в компенсированной сети должна обладать высокой чувствительностью по углу, а фильтры тока и напряжения НП иметь малые угловые погрешности. Кроме активной составляющей, остаточный ток содержит также нечетные высшие гармоники, не компенсируемые ДГР. Так как индуктивное сопротивление ДГР для высших гармоник значи- тельно больше емкостного сопротивления сети на землю XcY (при резонансной настройке для 3-й гармоники в 9 раз, для 5-й гармони- ки в 25 раз и т.д.), то по отношению к высшим гармоникам электри- ческую сеть с заземлением нейтрали через ДГР можно рассматри- вать с достаточной точностью как сеть с изолированной нейтралью. Поэтому для каждой из высших гармоник тока 3/0 и напряжения 3Uq при внешних и при внутренних 033 выполняются соотношения, аналогичные соотношениям емкостных составляющих в сети с изо- лированной нейтралью. Например, для линии Л} (см. рис. 2.2) при внешнем 033 (т. Л^) 34)vi “ ScdCqjJ^, = /cvi (2.21) и при внутреннем (т. Я^) 34)vi = ~3<в(С01 - C0l)£^v = 4vz + 4vi- (2.22) Из выражений (2.19) и (2.20) следует, что в компенсированной сети селективную сигнализацию или защиту от 033 можно выпол- нить с использованием способов абсолютного и относительного заме- ра уровня высших гармоник в токе 3/0 и способов абсолютного и относи- тельного замера направления реактивной мощности высших гармоник в присоединениях защищаемого объекта. 35
2.4. ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЕ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ Схема замещения для расчета переходных процессов при 033. В переходном процессе при 033 условно различают две стадии, свя- занные соответственно с разрядом емкостей поврежденной фазы на землю, сопровождающимся перезарядом междуфазных емкостей, и зарядом емкостей неповрежденных фаз [29]. Анализ осциллограмм, полученных при 033 в реальных электрических сетях и на физиче- ских моделях, учитывающих распределенный характер параметров линий [22], показывает, что в разрядных и зарядных составляющих тока и напряжения переходного процесса при 033 преобладает по одной частотной составляющей, определяющей их форму и ампли- туду. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показыва- ет, что частота и амплитуда указанных частотных составляющих определяется практически только суммарной емкостью фаз сети на землю и суммарными междуфазными емкостями неповрежденной части сети, параметрами поврежденной линии на участке от шин до точки 033 и переходным сопротивлением Яп в месте повреждения (рис. 2.7). Поэтому сложный волновой переходный процесс при 033 в электрических сетях 3 — 35 кВ допустимо приближенно рас- сматривать как переходный процесс в схеме с сосредоточенными параметрами (исключение составляют 033 на шинах или в непо- средственной близости от шин, когда необходимо учитывать явно выраженный волновой характер разрядных составляющих [22]). С учетом этих замечаний схему замещения для анализа переход- ного процесса при 033 в сетях 6 — 10 кВ радиальной конфигурации можно представить в виде, показанном на рис. 2.8. Рис. 2.7. Кривые переходных токов н напряжений при 033 в электрической кабельной сети с t4.0M = 6 кВ II /cv ' 1 А при уда- ленности точки повреждения от шин /3 « 70 м (показаны рас- четные кривые и кривые, по- лученные на физической мо- дели, учитывающей распреде- ленный характер параметров линий [30]) 36
Рис. 2.8. Двухчастотная схема замещения электрической сети радиальной кон- фигурации для анализа переходных процессов при 033 Рис. 2.9. Комплексные схемы замещения для расчета переходного процесса при 033: а — при нулевых начальных условиях {«//0) = 0, /дГР(0) = 0]; б— для опреде- ления составляющих, обусловленных ненулевыми начальными условиями в момент пробоя изоляции [ 1/^(0) * О, /ДГР(0) * 0] Используя метод симметричных составляющих, из схемы рис. 2.8 можно получить комплексные схемы замещения для расче- та переходного тока и напряжения НП при 033 (рис. 2.9). Переходные процессы в схемах на рис. 2.9 описываются диффе- ренциальными уравнениями 4-го (в сети с изолированной нейтра- 37
лью или с заземлением нейтрали через резистор) и 5-го (в компенси- рованной сети) порядков. В общем случае точное аналитическое ре- шение таких уравнений весьма громоздко, однако оно значительно упрощается для случая малых потерь в контуре НП. Такие условия практически могут иметь место при металлических 033 (Ап = 0). Для выполнения защит от 033, основанных на использовании пере- ходных процессов, в основном используются начальные фазные со- отношения переходного тока и напряжения НП, на которые потери в контуре Н П при соответствующем выборе входных информацион- ных величин влияния не оказывает. Поэтому ограничимся рассмот- рением соотношений электрических величин переходного процесса для случая “малых потерь” при 033 в сети с изолированной нейтра- лью и компенсированной сети. Уравнения переходного процесса при 033 в сети с изолированной нейтралью. Используя метод наложения (для учета смещения ней- трали сети Wy/O)) для сети с изолированной нейтралью при «(/) = ^„siп(шГ + <р) в операторной форме получим [30]: U0(P) = U„rf (cocosep + psincp)(p2 + со2) Д(р)(р2 + со2) -^/у(0)со2 (р2 + со2) РД(Р) (2.23) где Д(р) — + а/Р + (£с<0]2 + со^)р1 + со^; а = R\/L\, со2 = 1/Zlj Cj; ю2 — ^/^2^2’ ~ 1 + ^1/^2’ — + — 0)эк + Gbn £2 ~~ С2 — 0,5[Cq3k + Сдл + 3(СМЭК + Смл)1, — ЗЯЛ + Я, + ЗЯП, Um -- амплитуда фазного напряжения; ср — начальная фаза пробоя изоляции. Частоты и постоянные затухания разрядной и зарядной составля- ющих определяются из решения биквадратного уравнения Д( р) = О при а = 0 (случай малых потерь в контуре НП). сор 3 - -j= Jfcc«2 + cof ± ^fc2co^ I । (2А'(, 4)со12со^; (2.24) юр з -со2 X _ А. Р* -4- р’3 2(2со2 з-co^-^Wj2)’ (2.25) Частота разрядной составляющей Л — — в зависимости от типа р 2л линий электрической сети (воздушные или кабельные), их длин и 38
удаленности точки 033 от шин защищаемого объекта обычно со- ставляет от нескольких до сотен килогерц (например, в кабельных сетях с линиями малой протяженности). Разрядные составляющие затухают в течение нескольких сотен микросекунд. Частота заряд- „ со. нои/3 = —— составляющей зависит в основном от суммарного емко- 2 тт стного тока сети /С1 и индуктивности источника питания £и и лежит обычно в пределах от нескольких сотен герц до нескольких кило- герц. Зарядная составляющая затухает в течение 3 — 5 мс. Используя теорему разложения операторного исчисления при со- » со2, со2 » со2, что практически всегда обеспечивается, и боль- г 3 ших углах пробоя изоляции ср -> л/2 из (2.23) получим: ит sin ср sin ср cos со/ — ~ита^ UN<.0) Uт sin ср sin ср cos со/, (2.26) СО? - со2 СО? -СОр где а{ = 4----;д2 = ——£ со2-со2 со2-со2 При начальной фазе пробоя изоляции ср -> О U0(Г)« Uт sin(co/ + ср) - ита, — е cos ср sin со/ + “р + UN (О^.е-5^ cos со t - U а2 — cos ср sin со/ + + U ^(О)^-6^ cosco/. (2.27) Ток НП в поврежденном и неповрежденных присоединениях в обоих случаях определяется из выражений: 'o„oS(0 = 4G-Q„)^1 = -CoC^; (2.28) /о„«п(О = СОнеп^й, (2.29) где Со неп — емкость фазы на землю неповрежденного присоединения. 39
Рис. 2.10. Начальные фазные соотношения электрических величии переходного процесса нри 033 (расчет для сети с (71ШМ = 6 кВ, /cv = 30 А, /3 = 100 м, кабель ААБ-6-3 х 120): а — ф = л/2; б— ф = О Амплитуда зарядной составляющей может достигать значений до тысяч ампер (например, в кабельных сетях при близких к шинам 033). Амплитуда зарядной составляющей пропорциональна отно- шению /с1<о3 /<о и также может достигать значений до сотен и тысяч ампер (например, в кабельных сетях с большими значениями /сЕ). Начальные фазные соотношения переходного тока /0 и напряже- ния и0 НП, их разрядной, зарядной и принужденной составляющих иллюстрируются рис. 2.10. Из рис. 2.10 можно видеть, что при «д(0) = 0 начальный знак и0 всегда противоположен начальному знаку переходного тока z0 пов в поврежденном присоединении и совпадаете начальным знаком пе- реходных токов в неповрежденных присоединениях /0 неп. На испо- льзовании начальных фазных соотношений между переходным то- ком /ои напряжением м0 основано большинство известных исполне- ний направленных импульсных защит от 033 (например, [27, 29, 31, 32 и др.]). На этом принципе могут быть получены как 40
Рис. 2.11. Нарушение начальных фазных соотношений между пере- ходным нанряжением и0 н переход- ным током z'o пов под влиянием сме- щения нейтралы сети а^(0) в мо- мент пробоя изоляции: а — знак и^(0) противоположен знаку Um sirup; б — знак сов- падает со знаком Um sinip, но М°>1 > H4sin(₽ индивидуальные, так и централизованные исполнения направленных защит от 033. Смешение нейтрали и^(0) * 0 в момент возникновения пробоя изоляции (из-за несимметрии емкостей фаз сети на землю или на- копления избыточного заряда на фазах сети при перемежающемся дуговом 033) может привести к нарушениям указанных выше нача- льных фазных соотношений между переходным напряжением и0 и переходными токами в присоединениях защищаемого объекта при следующих условиях: знак противоположен знаку Um sincp (этот случай иллюстри- руется рис. 2.11); знак совпадает со знаком Um sincp, но \и^(0)| > | Um sincp|. Поэтому использование начальных фазных соотношений между м0 и /у в некоторых условиях могло бы приводить к излишним сраба- тываниям направленных импульсных защит от 033. Из (2.26) — (2.29) следует, что смещение нейтрали не вызывает искажений начальных фазных соотношений между свободными со- ставляющими тока и напряжения переходного процесса мОр и z^, и0р 4 м0з и z0p 4 'оз- Учитывая это, для действия направленных импу- льсных защит от 033 в принципе можно было бы использовать толь- ко составляющие иОр, мОз, /др, /Оз. Однако выделение указанных со- ставляющих из и0 и /0 с помощью частотных фильтров в интервале времени срабатывания измерительных органов направленных им- пульсных защит от 033 (как правило, не превышающих нескольких десятков микросекунд) возможно не всегда, поэтому для действия зашит данного типа приходится использовать полные токи Zq и на- пряжение «0 переходного процесса или ограниченную, как “сверху”, так и “снизу” часть спектра этих величин. В этих условиях некритичность импульсных направленных устройств зашиты от 033 к искажениям начальных фазных соотно- 41
Рис. 2.12. К использованию производной du^/dtb качестве поляризующей вели- чины (расчет для сети с £/ном — 6 кВ, /с£ = 30 А, ф — 175°, ls ~ 0,1 км, кабель ААБ-6-3 х 120): а /?п — 0 (случай “малых потерь”); б — = 5 Ом шений между и0 и /() за счет влияния «д{0) можно обеспечить, как это следует из выражений (2.28) и (2.29), используя в качестве поляризу- ющей величины не м0, а производную напряжения НП du^/dt (рис. 2.12). К преимуществам использования du^/dt в качестве поляризую- щей величины следует отнести также возможность (при достаточ- ной чувствительности по первичному току) обеспечить правильную фиксацию начальных фазных соотношений электрических величин переходного процесса даже при пробое изоляции в момент прохож- дения напряжения поврежденной фазы через нулевое значение. Из (2.28) и (2.29) можно видеть, что для объектов с достаточно - большим числом присоединений, где, как правило, выполняется соотношение Сос > СОл амплитуда переходного тока fgn0B в по- врежденном присоединении всегда больше, чем z0 неп в любом из не- поврежденных. Сравнивая амплитуды переходных токов z0 во всех присоединениях защищаемого объекта между собой, можно определить поврежденное присоединение. Этот способ определе- ния присоединения с 033 используется в централизованных токо- вых защитах относительного замера амплитуд переходных токов [33, 34 и др.]. Недостатком централизованных устройств защиты от 033, осно- ванных на принципе относительного замера амплитуд переходных токов, является значительное влияние на устойчивость их функцио- нирования погрешностей трансформаторов тока НП [35], что суще- ственно ограничивает область их применения. Поэтому на этом 42
принципе защиты от 033 в последние годы в России и других стра- нах не разрабатывались. Начальные знаки переходных токов /0 в поврежденном и непо- врежденном присоединениях, как следует из (2.28) и (2.29), всегда противоположны. Соотношения начальных знаков переходных то- ков в присоединениях защищаемого объекта используются для определения поврежденного присоединения при 033 в централизо- ванных импульсных направленных защитах относительного замера, од- нако широкого практического применения этот способ не получил. Уравнения переходного процесса при 033 в сети с компенсацией емкостных токов. Наличие ДГР обуславливает появление в токах и напряжениях переходного процесса еще одной свободной составля- ющей — апериодической с постоянной затухания 6а = Aj/ЗЛдрр. За счет этого общее решение для и0(/) и ^(Z) более громоздко, чем в случае изолированной нейтрали сети. Наибольших значений апери- одическая составляющая напряжения и тока достигает при <р -> О, однако и в этом случае она не оказывает влияния на начальные фаз- ные соотношения между напряжением и током НП из-за большой индуктивности ДГР (З/дрр » Ly L^). Учитывая это, ограничимся рассмотрением случая, когда начальная фаза пробоя изоляции <р -> л/2. Используя изложенный выше подход, для u0(Z) и du^{t)/dt можно получить следующие уравнения: -'дгр(0)^ С|С0р и т sin ф e V sin cd t-Uта^~У 1— Р L ^sin<P cos copZ - cos со J- Ч"3 (2.30) ^(0~ -t/m<»cos(a)r + <p) + ymo1a) e"sp' 1 at p Um sin ф - 'дгр(°> 5- e'8p/ cos at + C| r 1/т81Пф “ 'дгр(°> тг cos sincOpZ- sin со/ - (2.31) где cop, co3,6p, 63, й], a2, фр, ф3 — то же, что и в (2.26). 43
Токи iQ, как и для сети с изолированной нейтралью, в начальной стадии переходного процесса приближенно определяются выраже- ниями (2.28) и (2.29). Из уравнений (2.30) и (2.31) можно видеть, что при и^О) = 0 и /'дгр(О) = 0 начальные соотношения электрических величин пере- ходного процесса (фазные, амплитудные) идентичны соотношени- ям электрических величин для сети с изолированной нейтралью. Поэтому для выполнения селективных зашит от 033, основанных на использовании электрических величин переходного процесса, в компенсированных сетях могут быть использованы те же способы, что и в сетях с изолированной нейтралью: а именно, способы абсо- лютного и относительного замера направления мгновенной мощности НП в момент пробоя изоляции и способ относительного замера ампли- туд переходных токов в присоединениях защищаемого объекта в присо- единениях защищаемого объекта. Как и в сетях с изолированной нейтралью, технически более совершенное решение дает первый из указанных способов, однако его реализация в компенсированных сетях имеет некоторые особенности. Из уравнений (2.30) и (2.31) можно видеть, что причиной искаже- ний начальных фазных соотношений между и0 и /0 может быть не то- лько Uj/O), но и /дГр(О). Условия возникновения указанных искаже- ний имеют более сложный, чем в сети с изолированной нейтралью, характер, и зависят, как можно видеть из уравнений (2.30), (2.31), от целого ряда факторов: и^О), (дгр(О), начальной фазы <р, частот и по- стоянных затухания свободных составляющих. Как и в сети с изоли- рованной нейтралью, некритичны к влиянию искажающих факто- ров начальные фазные соотношения между иОр и /qp, и^ + и0з и z'op + zq3, однако использование их в качестве входных информаци- онных величин для действия защит от 033 по причинам, указанным выше, возможно не всегда. Из уравнения (2.31) можно видеть, что наличие /дГр(0)*0 в принципе может обусловить искажения начальных фазовых соот- ношений не только между и0 и Zo, но и между dug/dt и /0. Однако, как показывает более точный анализ, выполненный в [36] на математи- ческой и физической моделях, импульсные направленные защиты от 033 достаточно просто могут быть отстроены от влияния /дгр(О) 0 на начальные фазные соотношения между dug/dt и /0 по току срабатывания и по времени срабатывания измерительных ор- ганов. Следовательно, использование в импульсных направленных защитах от 033 в качестве поляризующей величины б/МфД/Гвместо «0 предпочтительно не только в сетях, работающих с изолированной нейтралью, но и с компенсацией емкостного тока. 44
Влияние активных потерь в контуре нулевой последовательности на переходный процесса прн 033. При большом расстоянии от шин ис- точника питания до места 033 или замыканиях через большое пере- ходное сопротивление необходимо учитывать влияние потерь в кон- туре НП на соотношения электрических величин переходного про- цесса. Анализ влияния больших потерь на переходный процесс при 033 был выполнен по общим, полученным для схем замещения сети (рис. 2.9), уравнениям на ЭВМ. Как показали расчеты, при увеличе- нии потерь в контуре НП и0 и /0, разрядные составляющие и /Ор, а также суммарные свободные составляющие иОр + и0з и /др + 10з со- храняют начальные соотношения знаков такими же, как и в случае малых потерь, а начальный знак зарядной составляющей тока /()з мо- жет изменяться на противоположный при неизменности начально- го знака составляющей напряжения и0з (например, рис. 2.13, а). Увеличение потерь в цепи тока 033 не искажает начальные фазные соотношения между производной du^/dt и током /0 (например, рис. 2.13, б), но может существенно изменить соотношение ампли- туд разрядных и зарядных составляющих напряжения и тока. При увеличении потерь отношение амплитуд составляющих на- пряжения ^отр/^О/из возрастает, а отношение амплитуд составляю- щих токов уменьшается, но остается существенно больше 1. Таким образом, разрядная составляющая определяет амплитуду и начальный знак переходного тока /0 не только в случае малых потерь в контуре НП, но и при 033 через большое переходное сопротивле- ние. Зарядные составляющие напряжения и0з и тока /0з могут сохра- нять колебательный характер даже при значениях R^, равных десят- кам ом, однако амплитуда их в напряжении и0 и токе /0 с ростом со- противления Лп резко уменьшается. Частота зарядных колебаний в этих условиях возрастает и стремится к пределу <о3 тах = 1 / ^L2C2i определяющему частоту собственных колебаний сети в режиме без 033. При определенных параметрах (/с1, Лп, удаленность точки 033 от шин и др.) частота разрядных колебаний <ор может быть даже ме- ньше, чем частота зарядных колебаний <о3, в связи с чем частотное разделение указанных составляющих тока и напряжения переход- ного процесса в общем случае невозможно. В компенсированных сетях при 033 через большое переходное сопротивление (десятки ом и более) возможно возникновение низ- кочастотных колебаний в контуре, образованном индуктивностью ДГР и емкостью фаз на землю. При резонансной настройке частоты этих колебаний, как показывают расчеты, могут лежать в пределах 20 — 50 Гц. Амплитуда указанных низкочастотных колебаний в на- 45
Рис. 2.13. Влияние потерь в контуре НП на соотношения разрядных и зарядных составляющих тока переходного процесса при 033 в сети 6 кВ с изолированной нейтралью: а - /с1 = 30 А, Ф = 90°, /3 = 0,1 км, /?,, = 5 Ом, ы^О) - 0; б - /сХ = 100 А, Ф = 90°, /3 = 0,1 км, Rn = 20 Ом пряжении и токе /0 может быть значительно больше, чем ампли- туды других свободных составляющих. Из этого, в частности, следу- ет, что ограничение “снизу” рабочего спектра частот устройств за- щиты от 033, основанных на использовании переходного процесса, в некоторых случаях может привести к существенному снижению их чувствительности по току и напряжению. Уравнения переходного процесса при включении линии под напря- жение. При включении линий под напряжение за счет неодновре- менное™ замыкания контактов выключателя возникает переход- ный процесс, при котором в токах и напряжениях фаз, как и при 033, содержатся составляющие НП. С точки зрения влияния на функционирование защит от 033 интерес представляет переходный процесс при включении первой фазы линии, когда броски переход- ных uq и /q достигают наибольших значений. Комплексная схема за- мещения для расчета переходного процесса при включении первой фазы линии под напряжение в сети с изолированной нейтралью приведена на рис. 2.14. В токе /0 напряжении и0 переходного процесса при включении линии под напряжение, как и при 033, условно можно выделить две основные частотные составляющие: разрядную и зарядную. Из схе- мы замещения (рис. 2.14) можно видеть, что частоты указанных со- ставляющих будут всегда выше, чем при 033 из-за последовательно включенных с емкостью сети СОс емкостей включаемой линии СОл + ЗС0;|и СОл. Учитывая это, влиянием ДГР на начальную стадию переходного процесса при включении линии можно пренебречь. Из 46
схемы на рис. 2.14 для напряжения и0(/) в операторной форме получим: Ua(p) = c^c С0с + С3 2 (<0COS(p + psin<p)(p2 + «2) m<0' Д(р)(р2 + «>2) „ 2^2+ш2 ----- , (2.32) рД(р) где С] CjCJjc/(C3 + Qc); С2-0.5(6^+ ЗСмс); О = С0л<С0л + ЗСмл)/3<Ол 4 зсмл); "н ®2» а, Д(р) - то же, что и в (2.23). Сравнивая выражения (2.23) и (2.32), можно видеть, что переход- ные процессы при включении первой фазы линии и при 033 описы- ваются аналогичными уравнениями, отличающимися только нали- чием в (2.32) коэффициента С3ДС3 + ) и значениями Wj2, со^, т.е. частот и постоянных затухания свободных составляющих напряже- ния uQ(t). Переходные токи /0 пОВ(/) и /0 неп(/) определяются по вы- ражениям (2.28) и (2.29). Обычно С3 Cq, и, следовательно, ампли- туды принужденной и свободных составляющих напряжения и тока НП в Cq, /С3 раз меньше, чем при 033. Однако при включении при- соединений с относительно большой собственной емкостью С/Со, амплитуды бросков переходного тока и напряжения и$ могут до- стигать значений, соизмеримых и даже превышающих амплитуды Рис. 2.14. Комплексная схема замещения для расчета переходного процесса при включении первой фазы линии нод напряжение 47
120 80 40 о -40 -80 (IUq, В/мкс Рис. 2.15. Переходный процесс при включении линии нод напряжение соответствующих величин при 033. Поэтому отстроить за- щиты от 033, основанные на использовании электрических величин переходного процес- са, от данного режима по амп- литуде броска переходного тока /О(0 или напряжения Uq(/) в общем случае нельзя. Наиболее простым средством обеспечения несрабатываний защит от 033, реагирующих на переходные токи и напря- жение НП, является примене- ние специального пускового органа по напряжению 3£/0. Пусковой орган должен быть отстроен по порогу срабатыва- ния от напряжения смещения нейтрали в нормальном режи- ме и при внешних КЗ на землю в сетях с глухозаземленной нейтралью и по времени сра- батывания от разновремен- ности замыкания контактов выключателя. Начальные фазные соотно- шения электрических величин переходного процесса при включении линии аналогичны послед- ним при 033 (рис. 2.15). Это позволяет использовать переходный процесс, возникающий при включении линии под напряжение, для проверки полярности включения вторичных цепей тока и напряже- ния защит от 033, реагирующих на переходный процесс. О выборе рабочего спектра частот устройств защиты от 033, осно- ванных на использовании переходных процессов. Частоты токов пере- ходного процесса при 033 могут лежать, как было показано выше, в пределах от десятков герц до сотен килогерц. Обеспечить высокую устойчивость функционирования устройств защиты от 033, осно- ванных на использовании электрических величин переходного про- цесса в таком широком диапазоне частот, очень трудно, поэтому приходится ограничивать “верхний” предел рабочего спектра час- тот, в котором должна обеспечиваться устойчивость функциониро- 48
вания зашит от 033, использующих для действия переходный про- цесс, при внутренних повреждениях. Этот предел можно опреде- лить, анализируя распределение энергии между гармоническими составляющими в “текущем спектре” переходного тока /0(/). Распределение энергии в “текущем спектре” непериодического колебания определяется равенством Парсе валя [37]: Э = i J|5(co)F dt, (2.33) О где Э— энергия колебания (при нагрузке в 1 Ом); 5(<о) — спектр ко- лебания s(t). Анализируя распределение [5((о)| = 5(<о) тока в интервале времени наблюдения переходного процесса измерительными органами за- щиты от 033, обычно не превышающем нескольких десятков мик- росекунд, можно определить полосу частот, в которой сосредоточе- на основная часть энергии входного сигнала. Анализ, выполненный по уравнениям переходного процесса для сети с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостного тока по рис. 2.11 при варь- ируемых параметрах электрической сети и условий возникновения пробоя изоляции (/с1 = 1100А, <р = 0-^90°, удаленность точки 033 от шин /3 = 0,1 -? 10 км, = 0 -г 100 Ом и др.), показал, что 80 — 90 % энергии входного сигнала Zq( /) сосредоточено в полосе ча- стот до 2 — 3 кГц. Поэтому при выполнении устройств защиты от 033, основанных на использовании переходного процесса, “верх- няя” рабочая частота измерительных органов, как правило, может быть ограничена значением 2 — 3 кГц. 49
ГЛАВА ТРЕТЬЯ Принципы выполнения устройств защиты и сигнализации замыканий на землю 3.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЩИТЕ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ Общие требования к защите от 033, сформулированные в Пра- вилах устройств электроустановок [9, пп. 3.2.96,3.2.97], не учитыва- ют рассмотренные выше изменения подходов к режимам заземле- ния нейтрали электрических сетей 6—10 кВ, способам действия за- щит от 033, а также увеличение технического совершенства защит от этого вида повреждений, разработанных в последнее десятилетие в различных организациях РФ и выполненных на современной мик- роэлектронной или микропроцессорной элементной базе. С учетом этих факторов при выполнении защит от 033 рассматриваемых электрических сетей, на наш взгляд, должны учитываться следую- щие основные требования. 1. Устройства защиты от 033 должны обеспечивать фиксацию как устойчивых, так и дуговых прерывистых повреждений, включая перемежающиеся замыкания. 2. В сетях, работающих с изолированной нейтралью, с компенса- цией емкостного тока и с высокоомным заземлением нейтрали, устройства зашиты должны обеспечивать также фиксацию кратко- временных самоустраняющихся пробоев изоляции. 3. Устройства зашиты должны действовать на отключение или на сигнал. 4. Устройства защиты, действующие на сигнал, должны селек- тивно определять поврежденное направление. 5. Устройства зашиты, действующие на отключение, должны се- лективно определять поврежденный элемент. 50
6. Устройства защиты должны действовать на отключение с ми- нимально возможной выдержкой времени: 1) на всех присоединениях в сетях, работающих с низкоомным за- землением нейтрали; 2) в сетях, работающих с изолированной нейтралью, с резонанс- ным заземлением нейтрали (с компенсацией емкостного тока 033) или с высокоомным заземлением нейтрали: в электроустановках, где отключение 033 необходимо по тре- бованиям техники безопасности; на генераторах, мощных электродвигателях и в других случаях, когда ожидаемый ущерб от внезапного отключения поврежденного элемента меньше, чем ущерб от последствий длительного протека- ния тока 033 или перехода замыкания в КЗ (например, при пожарах в кабельных тоннелях вследствие дуговых перемежающихся 033, повреждениях электродвигателей, приводящих к длительному про- стою технологического оборудования и др.); во всех случаях, когда внезапное отключение поврежденного эле- мента не наносит ущерба (например, при наличии резерва). 7. Устройства защиты должны действовать на отключение с вы- держкой времени: в случаях, когда это необходимо по условиям селективности; в случаях, когда необходимо отключение, но внезапное отклю- чение недопустимо или наносит большой ущерб (например, по тех- нологическим причинам, условиям безопасности и др.). 8. Устройства защиты, действующие на отключение, должны об- ладать непрерывностью действия в установившемся режиме 033. 9. Устройства защиты должны действовать на сигнал во всех слу- чаях, кроме перечисленных в пп. 6 и 7. 10. Работа устройств защиты от 033 не должна зависеть от эксп- луатационных режимов работы сети. 11. Устройствами защиты должны быть оснащены все присоеди- нения защищаемого объекта для исключения отыскания повреж- денного присоединения методом поочередных отключений. 3.2. ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ Принципы выполнения и область применения. Устройства защиты и сигнализации 033, основанные на использовании токов и напря- жения НП промышленной частоты, получили наиболее широкое 51
применение в электрических сетях 6-10 кВ. К ним относятся об- щая неселективная защита напряжения НП, токовая защита НП (абсолютного замера) и направленная защита НП. Общая неселективная защита напряжения НПс действием на сиг- нал (без выдержки или с выдержкой времени) применяется в качест- ве устройства контроля изоляции на землю во всех сетях 6—10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, с резонансным заземле- нием нейтрали или с высокоомным заземлением нейтрали через ре- зистор. В электрических сетях 6 — 10 кВ с повышенными требова- ниями к электробезопасности (шахтных, карьерных, сетях торфо- разработок и передвижных механизмов), а также в сетях с низкоомным заземлением нейтрали через резистор указанная защи- та может применяться в качестве резервной с действием на отключе- ние с выдержкой времени. Токовая защита ////применяется в качестве селективной защиты от 033 с действием на отключение или селективной сигнализации 033 в сетях, работающих с изолированной нейтралью, с высокоом- ным или низкоомным заземлением нейтрали через резистор. Токовая направленная защита НП применяется в тех случаях, ког- да не может быть обеспечена устойчивость функционирования то- ковой защиты НП. При некоторых условиях (расстройке компенса- ции, достаточно больших значениях активной составляющей или высших гармоник остаточного тока 033) устойчивость функциони- рования указанных защит может быть обеспечена также в компен- сированных сетях. Основным недостатком токовой и направленной защит, осно- ванных на использовании электрических величин промышленной частоты, является возможность отказов функционирования (из- лишних срабатываний при внешних 033, отказов срабатывания при внутренних 033) при дуговых прерывистых замыканиях. Общая неселективная защита напряжения нулевой последователь- ности (контроль изоляции сета на землю). Устройство контроля изо- ляции фиксирует возникновение 033 в контролируемой сети по по- явлению напряжения 3//0. Для выполнения устройства контроля изоляции в качестве фильтра напряжения НП (ФННП), как прави- ло, используются трехфазные пяти стержневые трансформаторы на- пряжения TV с двумя вторичными обмотками, одна из которых сое- динена по схеме звезды, а вторая по схеме разомкнутого треугольни- ка (рис. 3.1). Вторичная обмотка, соединенная по схеме разомкнутого треугольника, образует ФННП. Устройство контроля изоляции включает также три вольтметра PV1 — PV3 включенные на фазные напряжения (в некоторых случаях применяется один 52
Рис. 3.1. Принципиальная схема устройства контроля изоляции сети 3 — 35 кВ вольтметр с переключателем), и максимальное реле напряжения КУЦ включенное на напряжение 3£/0. Часто контроль изоляции вы- полняется с выдержкой времени (реле времени КТ1), но в этом слу- чае контроль изоляции не фиксирует кратковременные самоустра- няющиеся 033. В нормальном симметричном режиме показания вольтметров PV1 — РУЗ одинаковы и равны » 57,7 В. При металлическом 033 показания вольтметра на поврежденной фазе снижаются до нуля, а на неповрежденных фазах возрастают в V5 раз, т.е. примерно до 100 В. При 033 через переходное сопротивление показания вольтметра на поврежденной фазе 0 < и< В, а на неповрежден- ных фазах ^2 < U< 100 В. При появлении напряжения 3Uq в сети срабатывает реле напряжения КУЦ обеспечивая подачу звукового и светового сигналов. При отсутствии на присоединениях защищае- мого объекта селективных защит от 033 или отказах их срабатыва- ния поиск поврежденного элемента осуществляется методом пооче- редных отключений или оперативных переключений в сети (без на- рушения электроснабжения потребителей). Токовая защита нулевой последовательности. Принципиальные схемы защиты приведены на рис. 3.2. 53
Рис. 3.2. Схемы токовой защиты нулевой последовательности от 033: а — с трехтрансформаторным ФТНП; б — с кабельным ТТНП На рис. 3.3 приведены схемы зашиты для параллельных кабелей. Измерительный орган зашиты от 033 — реле тока КА подключа- ется к фильтру тока НП (ФТНП). Недостатком трехтрансформатор- ного ФТНП (рис. 3.2, а) является большой ток небаланса в режимах без 033 (рабочих, пуска и самозапуска электродвигателей, внешних междуфазных КЗ и т.д.), обусловленный неидентичностью характе- ристик намагничивания фазных трансформаторов тока, что не все- гда позволяет получить необходимые для обеспечения требуемой чувствительности токовой зашиты от 033 малые значения первич- ного тока срабатывания /0с з. Особенно большие токи небаланса возникают при переходных процессах в первичной цепи. Поэтому трехтрансформаторный ФТН П для защиты от 033 практически мо- жет применяться только в сетях 6—10 кВ, работающих с низкоом- ным заземлением нейтрали. Второй способ получения тока НП (рис. 3.2, б) основан на при- менении специального трехфазного трансформатора тока НП (ТТНП), представляющего собой замкнутый магнитопровод с на- мотанной на него вторичной обмоткой. Первичной обмоткой ТТНП являются три фазы одного или нескольких кабелей, проходя- щих через окно магнитопровода. В защитах от 033 в основном при- меняются однокабельные ТТНП типов ТЗ, ТЗЛ, ТЗЛМ, ТЗР, ТЗРЛ. На ВЛ 6 — 10 кВ для установки ТТНП предусматривается кабельная вставка. Многокабельные ТТНП с подмагничиванием сердечника переменным током (типа ТНП), получившие в основном примене- ние в защитах от 033 в обмотке статора генераторов, работающих на сборные шины, и мощных электродвигателей, в настоящее время промышленностью не выпускаются. Если защищаемая ЛЭП выполнена из нескольких параллельных ниток кабеля, на каждой из них устанавливается однокабельный ТТНП, вторичные обмотки которых соединяются параллельно, по- следовательно или по смешанной (параллельно-последовательной) 54
схемам (рис. 3.3). Оптимальной яв- ляется, как правило, схема соедине- ния вторичных обмоток и реле тока КА, обеспечивающая минимальный первичный ток срабатывания защи- ™ 4 с.з min- Значение /0 с 3 mi„ апреле- ляется техническими характеристи- ками реле тока и ТТН П и схемой сое- динения их вторичных обмоток. Особенностью однокабельного ТТНП является небольшое значение тока небаланса в режимах без 033. Это обусловлено практически сим- метричным расположением токове- дущих жил кабеля по отношению ко вторичной обмотке ТТНП. Кроме того, при установке ТТНП на кабель с металлической оболочкой послед- няя выполняет функции выравнива- ющего экрана. Поэтому основной причиной возникновения тока неба- ланса в однокабельном ТТНП явля- ется различие взаимоиндукции меж- ду фазными проводами, располо- женными выше кабельной воронки, и вторичной обмоткой ТТНП [38]. Для уменьшения влияния электро- магнитных полей фазных токов и со- ответственно тока небаланса ТТНП Рис. 3.3. Схемы токовой защиты нулевой последовательности от 033 для параллельных кабелей: а — параллельное включение ТТНП; б — последовательное включение ТТНП; в — смешан- ное (параллельно-последовате- льное) включение ТТНП рекомендуется устанавливать на рас- стоянии не менее, чем 0,5 — 1 м от кабельной воронки [39]. Однако в серийных КРУ такое расположе- ние ТТНП по отношению к кабельной воронке не всегда возможно. При 033 в сети токи повреждения могут возвращаться как через землю, так и по проводящей оболочке и броне кабелей. Для предот- вращения возможности ложных срабатываний защит на неповреж- денных присоединениях от блуждающих токов в земле и снижения чувствительности защиты поврежденного присоединения при внут- ренних 033 защитное заземление оболочки и брони кабелей выпол- няется проводом, пропущенным через окно ТТНП и изолирован- ным от заземленных конструкций на участке от кабельной “ворон- ки” до трансформатора тока. 55
Учитывая, что во многих случаях (на ВЛ и КЛ небольшой протя- женности) значения тока 033 могут составлять единицы и даже доли ампера, в токовых защитах НП, как правило, применяются реле тока с малыми значениями /с р min, например, электромагнит- ные типа РТ-40/0,2, или специальные реле для защиты от 033: элек- тронное типа РТЗ-50 (в настоящее время снято с производства) и микроэлектронное типа РТЗ-51. Электронное реле тока типа РТЗ-50 [40 — 43] разработано ЧЭАЗ в конце 60-х годов для замены электромагнитного реле тока типа ЭТД-551/60 с малым током срабатывания (/с min = 0,01 А), исполь- зовавшегося в схемах зашиты от 033. Принципиальная схема реле РТЗ-50 приведена на рис. 3.4. Реле включает вторичный преобразователь тока, состоящий из согласующего трансформатора Т и выпрямителя VC1, двухкаскад- ный усилитель постоянного тока УПТ, исполнительный орган (вы- ходное промежуточное реле К) и блок питания БП. Реле имеет три диапазона срабатывания по току: 0,01—0,02; 0,015 — 0,03 и 0,03 -0,06 А. Входное сопротивление реле Zp зависит от входного тока и при- мерно равно в первом диапазоне уставок 50 — 100 Ом, во втором диапазоне 30 — 50 Ом, в третьем диапазоне 9—11 Ом. Переключе- ние диапазона уставок тока срабатывания осуществляется с помо- щью отпаек на согласующем трансформаторе. Плавное изменение уставок в пределах каждого диапазона осуществляется изменением коэффициента усиления УПТ резистором R7. Разрядник FV пред- назначен для защиты элементов схемы от перенапряжений при двойных замыканиях на землю. Резистор Л/, включенный последо- Рис. 3.4. Принципиальная схема электронного реле тока тнна РТЗ-50 56
вательно с первичной обмоткой согласующего трансформатора 7, обеспечивает термическую устойчивость входных цепей тока при двойных замыканиях на землю. Конденсатор С1 сглаживает пульса- ции напряжения на выходе выпрямительного моста VCL Диод VD1 служит для ограничения уровня входного сигнала УПТ. Питание реле может осуществляться от источников как постоянного ± 110 ч- 220 В, так и переменного —100 В оперативного токов. Реле выполнено на электронной элементной базе. Применение реле РТЗ-50 позволяет получить защиту от 033 с первичным током срабатывания порядка /с 3 min > 3,5 А. Высокочувствительное реле тока типа РТЗ-51 [41,42, 44] пред- назначено главным образом для применения в схемах токовых за- щит от 033 совместно с кабельными ТТНП. Принципиальная схема реле приведена на рис. 3.5. Реле РТЗ-51 имеет то же назначение, что и реле РТЗ-50, но отли- чается от него более высокой чувствительностью и лучшей отстро- енностью от влияния свободных составляющих переходного про- цесса при дуговых перемежающихся 033. Реле включает в себя вторичный преобразователь тока, активный фильтр, настроенный на частоту 50 Гц, схему сравнения и исполни- тельный орган. Вторичный преобразователь тока состоит из проме- жуточного трансформатора тока TAL, нагруженного на резисторы Рис. 3.5. Принципиальная схема микроэлектронного реле тока РТЗ-51 57
R2 — R7, которые в сочетании с переключателями SB 1 — SB5служат для дискретного регулирования тока срабатывания. Резистор R1 обеспечивает термическую устойчивость TAL при двойных замыка- ниях на землю, диоды VD1 — VD4 обеспечивают ограничение амп- литуды входного сигнала при токах, превышающих ток срабатыва- ния. Активный фильтр выполнен на операционном усилителе А1 с мн ого контурной обратной связью (RS RIO, Cl, С2), обеспечивает отстройку реле от высших гармон ическцХ.составляющих во входном токе реле в переходных и установившихся режимах 033. Схема сравнения значения входного тока с заданной уставкой включает пороговый элемент на операционном усилителе А2, эле- мент задержки на срабатывание и на возврат (Р7)5. R15, R16n С7) и триггер Шмитта, выполненный на операционном усилителе АЗ. По- рог срабатывания задается резисторами R11 — R14. Резистором R11 обеспечивается настройка реле на минимальной уставке. Исполни- тельный орган реле представляет собой усилительный каскад на транзисторе VT1, в коллекторную цепь которого включено выход- ное промежуточное реле KL. Питание реле, как и реле РТЗ-50, мо- жет осуществляться от источников постоянного ± 110, ± 220 В и пе- ременного ~ 100 В оперативного токов. В отличие от реле РТЗ-50 реле РТЗ-51 выполнено с малым вход- ным сопротивлением (Z? « 1 Ом), что обеспечивает уменьшение по- грешностей ТТНП, но увеличивает влияние электромагнитных на- водок от токоведущих цепей и тока небаланса ТТНП. Применение реле РТЗ-51 позволяет получить защиту от 033 с первичным током срабатывания порядка JC 3 min > 0,6 А. Направленная защита от 033 состоит из одного реле направления мощности KW, которое включается на ток и напряжение НП (рис. 3.6). Для выполнения направленной "защиты ЧЭАЗ по разработке ВНИИЭ выпускает реле типа ЗЗП-1М, выполненное на электрон- ной элементной базе [40 — 43]. Принципиальная схема этого реле приведена на рис. 3.7. Устройство защиты типа ЗЗП-1М состоит из согласующего устройства СУ, усилителя переменного тока У ПТ и фазочувствите- льного усилителя ФЧУ. Согласующее устройство обеспечивает фор- мирование напряжения, пропорционального току 3/0 и сдвинутого по фазе по отношению к нему примерно на 90°, термическую стой- кость и защиту от перенапряжений цепей тока при двойных замыка- ниях на землю, а также согласование (по условию отдачи максима- льной мощности в нагрузку) с ТТНП различных типов. На выходе УПТ включен контур С2 — 73, настроенный на частоту 50 Гц. При- 58
Рис. 3.6. Схема подключения направ- ленной защиты от 033 к ТТНП н TH менение двухкаскадного усилителя УПТ в цепи тока 3/0 и резонас- ного контура С2 - ТЗпозволяет получить минимальный первичный ток срабатывания зашиты на частоте 50 Гц /Ос 3 mifl — (0,05 ± 0,02) А. Для защиты элементов ФЧУот перенапряжений напряжение 3 на вход ЗЗП-1М подается от TH через вспомогательное устройство ВУ-1, представляющее собой последовательный Л С-фильтр с резо- нансной частотой 50 Гц. Применение ВУ-1 позволяет также умень- шить вероятность излишних срабатываний защиты при внешних дуговых прерывистых 033. Фоточувствительный усилитель обеспе- чивает появление максимального тока в выходном промежуточном реле К при угле сдвига фаз между напряжением ЗД> и напряжением на выходе УПТ <р «0°, что соответствует внутреннему 033. При внешних 033 угол сдвига фаз между указанными напряжениями (р ~ 180°, и ток в выходном реле К отсутствует. Таким образом, устройство типа ЗЗП-1М представляет собой реле направления Рис. 3.7. Принципиальная схема устройства защиты от 033 типа ЗЗП-1М 59
Рис. 3.8. Упрощенная структур- ная схема устройства направлен- ной защиты типа ЗЗН мощности синусоидального типа, реагирующее на 5р = ££/0/0 sin<p0. Угол максимальной чувствительности реле <рм ч » 90°. Основными недостатками реле ЗЗП-1М является возможность излишних срабатываний при внешних дуговых перемежающихся 033 и ложных срабатываний при возникновении субгармонических колебаний после отключения поврежденного присоединения. В составе микроэлектронного устройства ЯРЭ-2201 [44] преду- смотрен блок МО110, принцип работы которого и область примене- ния аналогична последним реле ЗЗП-1М. В блоке МОНО преду- смотрены схемные меры, предотвращающие указанные выше лож- ные срабатывания при отключении поврежденного присоединения. В сетях с заземлением нейтрали через резистор сдвиг фаз между напряжением 3 С/() и током 3/0 в поврежденном присоединении су- щественно отличается от 90° (примерно —135° при высокоомном и — 180° при низкоомном заземлениях нейтрали). Поэтому примене- ние реле типа ЗЗП-1М или блока МО110 устройства ЯРЭ-2201 с уг- лом максимальной чувствительности <рм ч « 90° в таких сетях может привести к отказам срабатывания защиты при внутренних 033. Для возможности выполнения направленной защиты в сетях как с изо- лированной нейтралью, так и с заземлением нейтрали через рези- стор на ЧЭАЗ с 1998 г. освоен выпуск нового реле типа ЗЗН, разра- ботанного во ВНИИЭ. Структурная схема устройства типа ЗЗН приведена на рис. 3.8. Устройство защиты типа ЗЗН состоит из пусковых органов по току ПОТ и напряжению ПОН, схем формирования сравниваемых величин СФНи СФТ, фазочувствительной схемы ФЧСи выходного органа ВО. Пусковые органы и фазочувствительная схема для повы- шения устойчивости несрабатывания устройства в режимах без 033 включены по схеме И. Схема СФГобеспечивает усиление входного сигнала по току, сдвиг фазы тока З/q на 90°, компенсацию угловых погрешностей ТТНП, возможность регулирования уставки по току. 60
Схема СФН обеспечивает дополнительный сдвиг по фазе сравнива- емых величин, необходимый при использовании устройства в сетях с низкоомным заземлением нейтрали через резистор. Схемы СФТи СФНсодержаттакже полосовые фильтры с одинаковыми частотны- ми характеристиками, повышающие устойчивость функционирова- ния защиты при дуговых прерывистых 033. В Ф7Сприменен новый быстродействующий способ определения направления мощности при 033 [45], использование которого обеспечивает неизменность выходного сигнала ФЧС в зоне срабатывания независимо от угла сдвига фаз и значений сравниваемых величин (при превышении по- следними пороговых значений). В устройстве защиты типа ЗЗН пре- дусмотрена возможность регулирования уставок по току 3/0 и на- пряжению 3 t/g и угла максимальной чувствительности (<рм ч = 90° при применении защиты в сети с изолированной нейтралью, Фм.ч= 0° в сети с низкоомным заземлением нейтрали и 0° < <рм ч < 90° в сети с высокоомным заземлением нейтрали). Устройство имеет встроенные блок питания и устройство экспресс-контроля. 3.3. ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫСШИХ ГАРМОНИК Принципы выполнения н область применения. Устройства защиты и сигнализации 033, основанные на использовании высших гармо- ник установившегося тока и напряжения НП, предназначены преж- де всего для применения в компенсированных сетях 6 — 10 кВ, но по принципу действия также могут быть использованы в сетях с изоли- рованной нейтралью или с высокоомным заземлением нейтрали че- рез резистор. Однако в некомпенсированных сетях более простое и надежное решение в части защиты от 033 дают рассмотренные выше токовые или направленные защиты, основанные на использо- вании электрических величин промышленной частоты. Наиболее широкое применение в компенсированных сетях 6 — 10 кВ получили токовая защита абсолютного замера, основанная на измерении уровня высших гармоник в токе 3/0 защищаемого присоединения и сравнении его с заданной уставкой, и токовая за- щита относительного замера, основанная на сравнении уровней вы- сших гармоник в токах НП всех присоединений защищаемого объекта. 61
Токовые устройства абсолютного замера мало эффективны в условиях нестабильности состава и уровня высших гармоник в токе НП, что особенно характерно для сетей 6 — ГО кВ систем электро- снабжения промышленных предприятий. В [46] показано, что усло- вия селективности несрабатывания при внешних 033 и устойчиво- сти срабатывания при внутренних повреждениях для устройств аб- солютного замера высших гармоник обеспечиваются в основном на крупных подстанциях и электростанциях с большим числом присо- единений. Область применения централизованных токовых устройств относительного замера значительно шире и в основном ограничивается погрешностями кабельных ТТНП [35]. Наиболее универсальными являются направленные защиты, реа- гирующие на фазные соотношения высших гармоник тока и напря- жения НП. Достаточно просто могут быть реализованы направлен- ные защиты, реагирующие на направление реактивной мощности одной из гармоник, однако такие защиты не могут обеспечить высо- кую устойчивость функционирования из-за нестабильности состава высших гармоник в электрических сетях. В [47] предложен способ выполнения направленной защиты, реагирующей на сумму высших гармоник тока 3/0 и напряжения 3t/0, однако выполненные по этому способу защиты практического применения не получили. Токовая защита абсолютного замера. Для выполнения токовой за- щиты абсолютного замера ЧЭАЗ выпускает устройство типа УСЗ-2/2 [40, 41, 48, 49]. Способ действия этого устройства аналоги- чен способу действия токовой защиты НП и основан на том, что при внутреннем 033 содержание высших гармоник в защищаемом при- соединении 3/Ovj:= /сХ — 1а должно быть больше, чем 31^ = ICi при внешнем замыкании на землю. Способ действия устройств отно- сительного замера основан на том, что при внутреннем 033 со- держание высших гармоник в поврежденном присоединении 3/OvnoB = - 7Спов «сегла больше, чем 37^^ = /Снеп в любом из неповрежденных присоединений. Принципиальная схема устройства типа УСЗ-2/2 приведена на рис. 3.9. Автономное устройство защиты абсолютного замера высших гар- моник типа УСЗ-2/2 состоит из вторичного преобразователя тока НП TAL, измерительного органа ИО, логической части ЛЧи выход- ного устройства ВУ. Преобразователь TAL предназначен для согла- сования входного сопротивления устройства с выходным сопротив- лением ТТНП. Измерительный орган содержит частотный фильтр L — С1, подавляющий составляющие промышленной частоты и вы- сшие гармоники с частотой более 2 кГц (конденсатор СЗ). Разряд- 62
Рис. 3.9. Принциииальиая схема устройства типа УСЗ-2/2 ник FVпредназначен для защиты элементов устройства от перена- пряжений на вторичной обмотке ТТНП при двойных замыканиях на землю. Логическая часть обеспечивает отстройку устройства от свободных составляющих при внешних дуговых прерывистых или перемежающихся 033, амплитуда которых может превышать ток срабатывания, и усиление входного сигнала. Отстройка от свобод- ных составляющих переходного процесса при 033 обеспечивается за счет задержки на срабатывание на 20 — 30 мс (контур R3— С2) и быстрого разряда конденсатора С2 при токах, меньших тока сраба- тывания. В схему ВУвход ят транзистор VT2, выходное промежуточ- ное реле К и тиратрон с холодным катодом К£, обеспечивающий световую индикацию срабатывания устройства. Основной диапазон частот, в котором работает устройство, составляет 150 — 650 Гц, ми- нимальный первичный ток срабатывания (при подключении устройства к одному ТТНП типов ТЗ, ТЗЛ или ТЗЛМ) составляет 1,74-0,57 А. Следует отметить также, что минимальный уровень высших гар- моник в токе 033 в некоторых случаях может быть меньше указан- ных выше значений первичного тока срабатывания УСЗ-2/2. В част- ности, экспериментальные исследования уровней высших гармо- ник в токе и напряжении НП в установившемся режиме 033, проведенные в ИГЭУ в действующих кабельных сетях 6 кВ (на Ко- стромской ТЭЦ-2 и Ново-Горьковской ТЭЦ), показали, что в поло- се частот от 150 Гц до 1 кГц минимальный уровень преобладающей гармоники приближенно может быть принят равным 0,01v/cS (v — номер гармоники). С учетом этого для минимального тока срабатывания получим: 4.3vm/n — mitr (3.1) где Кц min - минимальный коэффициент чувствительности защиты. 63
Компенсация емкостных токов применяется в сетях 6 — 10 кВ при минимальном токе /сЕ = 10 А (электрические сети с металличе- скими или железобетонными опорами на ВЛ [9]). Принимая ^^„ = 2,5 [46], для гармоник основного рабочего диапазона УСЗ-2/2 (v = 3 — 13, что соответствует f= 150 - 650 Гц) из (3.1) получим: /с.„тй = 0,12^0,52А. В устройстве ЯРЭ-2201 [44] предусмотрен блокТО4Ю, принцип действия и область применения которого в основном соответствует последним устройства УСЗ-2/2. Отличительной особенностью бло- ка ТО4Ю является наличие в нем дополнительного органа, обеспе- чивающего возможность срабатываний при дуговых прерывистых 033 с паузами между повторными пробоями до 50 мс. Токовая защита относительного замера. Для выполнения центра- лизованной сигнализации 033 на принципе относительного замера высших гармоник в токе 3/0, как правило, применяются устройства типа УСЗ-ЗМ (рис. 3.10) и УСЗ-З, выпускаемые ЧЭАЗ [40, 41, 48, 49]. Устройство УСЗ-З отличается от УСЗ-ЗМ отсутстви- ем согласующего трансформатора TAL и предназначено для исполь- зования с токоизмерительными клещами типа КЭ-44. Устройство типа УСЗ-ЗМ состоит из согласующего трансформа- тора TAL, фильтра, подавляющего составляющие промышленной частоты и высшие гармоники с частотой более 2 кГц, и реагирующе- го органа — микроамперметра Л4 на 100 мкА, включенного на выхо- де фильтра через выпрямительный мост VC. Трансформатор TAL, как и в устройстве УСЗ-2/2, предназначен для согласования входно- го сопротивления устройства с выходным сопротивлением ТТН П. В Рис. 3.10. Принципиальная схема устройства сигаализации 033 типа УСЗ-ЗМ 64
УСЗ-ЗМ применен фильтр, обеспечивающий значительно более высокую степень подавления составляющих промышленной часто- ты, чем в УСЗ-2/2, что делает возможным применение устройства не только в компенсированных сетях, но и в сетях, работающих с изо- лированной нейтралью. Устройство имеет плавную регулировку чувствительности (резистор R7), При максимальной чувствительно- сти показания выходного микроамперметра достаточны д ля четкого определения поврежденного присоединения (10 мкА и более) при первичном токе в рабочем диапазоне частот (150 — 650 Гц), пример- но равном 0,25 А [40, 41]. Чувствительность устройства УСЗ-З с то- коизмерительными клещами типа КЭ-44 по первичному току при- близительно в 4 раза хуже, чем устройства УСЗ-ЗМ. Устройство УСЗ-ЗМ подключается вручную поочередно к ТТНП присоединений защищаемого объекта. Поврежденное присоедине- ние определяется по наибольшему показанию стрелочного индика- тора уровня высших гармоник — выходного микроамперметра. К положительным качествам УСЗ-ЗМ относятся простота, надеж- ность, универсальность, т.е. пригодность для применения практиче- ски в любых сетях 6—10 кВ, работающих с компенсацией емкост- ного тока или с изолированной нейтралью. Основными недостатка- ми устройства УСЗ-ЗМ являются невозможность четкой фиксации поврежденного присоединения при дуговых прерывистых 033 и не- обходимость участия оперативного персонала в работах по опреде- лению поврежденного присоединения, что увеличивает время поис- ка и ликвидации замыкания на землю, особенно на подстанциях без постоянного обслуживающего персонала. Для устранения указанных недостатков в СКТБ В КТ Мосэнерго разработаны и выпускаются централизованные устройства сигнали- зации 033 типа КДЗС-2 (ранее выпускалось устройство типа КДЗС), основанное на принципе относительного замера высших гармоник. В устройстве КДЗС-2 определение присоединения с мак- симальным уровнем высших гармонике токе НП производится ав- томатически путем последовательного опроса всех ТТН П защищае- мого объекта. Недостатками устройств типа КДЗС и КДЗС-2, испо- льзующих принцип последовательного сравнения значений входных сигналов, является относительно большое время поиска присоединения с наибольшим уровнем высших гармоник (около 9 с на 20 присоединений), а также невозможность обеспечить их устой- чивое функционирование при дуговых прерывистых 033. Во ВНИИЭ разработано автоматическое централизованное устройство относительного замера уровней высших гармоник, на- званное ПАУК |50], использующее принцип параллельного сравне- 65
ния значений входных сигналов с помощью измерительного органа, выполненного на базе максиселектора. Применение принципа па- раллельного сравнения значений входных сигналов в сочетании с автоматической регулировкой чувствительности обеспечивает воз- можность устойчивого функционирования устройства не только в установившемся, но и в переходных режимах 033. Опытные образ- цы устройства ПАУК установлены в эксплуатацию в Ленэнерго. 3.4. ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ “НАЛОЖЕННЫХ” ТОКОВ Основной областью применения защит, основанных на исполь- зовании “наложенных” токов, являются компенсированные сети. В 60 — 70-е годы разработки защит, основанных на использовании “наложенных” токов, проводились в ИЭД АН УССР, МЭИ, Том- ском политехническом институте (ТПИ) и других организациях [7,51 — 53]. Указанные разработки отличались в основном частотой “наложенного” тока, способом его наложения и принципами вы- полнения устройств защиты, реагирующих на “наложенный” ток. Достоинством защит, основанных на использовании искусственно создаваемых токов непромышленной частоты (“наложенных” то- ков), по сравнению с защитами, реагирующими на естественные высшие гармоники, является относительная стабильность воздейст- вующей величины в различных режимах работы сети, что упрощает решение проблемы устойчивости функционирования защиты от 033 при внутренних и при внешних повреждениях. К недостаткам защит, использующих “наложенные” токи, следует отнести необхо- димость в специальном источнике “наложенного” тока, усложне- ние схемы первичной коммутации из-за введения вспомогательного источника тока, некоторое увеличение тока в месте повреждения, возможность отказов функционирования защиты при дуговых пре- рывистых 033. Наиболее широкое применение в России получили токовые за- щиты от 033 в кабельных линиях 6 — 10 кВ и в обмотках статора генераторов, работающих на сборные шины, разработанные в Томском политехническом институте под руководством Р. А. Вайнштейна и основанные на использовании “наложенного” (контрольного) тока с частотой 25 Гц [7, 53]. На рис. 3.11 приведена схема выполнения защиты с использова- нием “наложенного” тока с частотой 25 Гц в компенсированной сети генераторного напряжения. 66
В установившемся режиме 033 действие защит линий и генера- торов обеспечивается за счет искусственного наложения контроль- ного тока с частотой 25 Гц. В качестве источника контрольного тока используется электромагнитный параметрический делитель часто- ты. Выходная обмотка делителя частоты включается последователь- но с первичной обмоткой ДГР. При использовании в сети несколь- ких ДГР их выходы со стороны земли объединяются и подключают- ся к контуру заземления через выходную обмотку делителя частоты. Защита ЛЭП выполняется с использованием специальных полу- проводниковых фильтровых реле тока с рабочим диапазоном в об- ласти низких частот, подключаемых к кабельным ТТНП. Для вы- полнения защиты генераторов используется тот же токовый прин- цип, что и для защиты ЛЭП. Однако в отличие от последней защита генераторов подключается к трехтрансформаторному ФТНП из ти- повых трансформаторов тока [53]. Различие по частоте тока неба- ланса ФТНП (50 Гц и гармоники, кратные трем) и воздействующей величины (25 Гц) упрощает отстройку защиты от небаланса и позво- ляет избежать загрубления защиты по первичному току. Установ- ленные в эксплуатацию на разных объектах защиты имеют ток сра- батывания 0,25 — 0,5 А при значении “наложенного” тока 0,7 — 1 А. Исследования, проведенные в ТПИ показали также [54], что испо- льзование для действия защиты от 033 в компенсированных сетях “наложенного” тока с частотой 25 Гц позволяет обеспечить ее рабо- тоспособность и при дуговых прерывистых замыканиях за счет на- личия в спектре переходного тока 3/0 низкочастотных гармоник с частотой менее 50 Гц. Недостатками устройств, основанных на использовании “нало- женного” тока с частотой 25 Гц, являются влияние на устойчивость Рис. 3.11. Включение источника контрольного тока и токовых защит от 033, ре- агирующих на “наложенный” ток с частотой 25 Гц, в сети генераторного напря- жения 67
функционирования защиты погрешностей ТТНП, возрастающих при уменьшении рабочей частоты; усложнение схемы первичной коммутации из-за необходимости подключения источника “нало- женного” тока; трудности подключения источника вспомогатель- ного тока при использовании в сети нескольких ДГР, установлен- ных на разных объектах; сложности отстройки от естественных гар- монических составляющих при внешних дуговых перемежающихся 033, при которых спектр тока зависит от параметров сети и режима заземления ее нейтрали; положения точки 033 в сети и других факторов. 3.5. ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА Принципы выполнения и область применения. Устройства защиты и сигнализации 033, основанные на использовании электрических величин переходного процесса, разрабатывались в России и других странах прежде всего для решения проблемы селективной сигнали- зации 033 в компенсированных сетях. По принципу действия устройства подобного типа могут быть использованы также в сетях с изолированной нейтралью или с высокоомным заземлением ней- трали через резистор. К преимуществам использования переходного процесса для дей- ствия защиты от 033 относятся: возможность фиксации всех разновидностей 033; независимость действия от режима заземления нейтрали; большая чувствительность к замыканиям через переходное со- противление (обусловленная тем, что в начальной стадии замыка- ния на землю переходное сопротивление определяется практически только сопротивлением электрической дуги); большие значения амплитуд переходных токов, упрощающие от- стройку от токов небаланса ФТНП и обеспечение высокой помехо- устойчивости и чувствительности защиты. Исследования и опыт применения защит от 033, реагирующих на переходный процесс, показали, что наибольшую универсаль- ность могут обеспечить устройства, в которых определение повреж- денного присоединения осуществляется с использованием следую- щих двух способов: сравнения амплитуд переходных токов в присоединениях защи- щаемого объекта; 68
определения знака мгновенной мощности НП в начальной ста- дии переходного процесса. На основе первого из указанных способов выполняются центра- лизованные токовые устройства относительного замера. По второму способу могут быть получены направленные централизованные и автономные (индивидуальные) устройства защиты от 033. Централизованные токовые устройства относительного замера амплитуд переходных токов (например, “Земля”, СЗВИ, “Феррит”, УЦСЗ и др. [33, 34, 54, 55]) разрабатывались и использовались в ка- бельных сетях 6 — 10 кВ в основном в 60 — 80-е годы. Область их применения, как и других устройств защиты от 033, выполненных на принципе относительного замера значений токов в присоедине- ниях защищаемого объекта, ограничивается, главным образом, по- грешностями ТТНП. Погрешности преобразования кабельными трансформаторами тока НП амплитуд переходных токов в сравни- ваемые величины (как правило, напряжения) на входах измеритель- ного органа централизованного устройства защиты, выполненного по рассматриваемому способу, зависят от множества факторов: типа ТТНП, числа и схемы соединения их вторичных обмоток, частоты переходного тока и др. Для устранения влияния указанных погреш- ностей в некоторых случаях (например, на объектах с небольшими кратностями емкостных токов присоединений, при наличии на присоединениях разнотипных ТТНП или неодинаковом числе од- нотипных ТТНП) возникает необходимость в применении вторич- ных преобразователей входных величин с регулируемыми коэффи- циентами преобразования и выборе оптимальных (по условиям устойчивости несрабатывания при внешних 033 и чувствительно- сти при внутренних повреждениях) параметров их настройки [35]. Эго приводит к усложнению проектирования и эксплуатации защит от 033, сравнивающих амплитуды переходных токов. Направленные импульсные защиты от 033, основанные на испо- льзовании начальных фазных соотношений электрических величин переходного процесса, не имеют указанных недостатков. Свойство направленности позволяет применять их в сетях любой конфигура- ции, обеспечивает некритичность к различию характеристик транс- форматоров тока НП, исключает необходимость в выборе парамет- ров срабатывания. Последнее значительно упрощает проектирова- ние и эксплуатацию устройств защиты от 033. К наиболее известным в России разработкам направленных им- пульсных защит от 033 относятся [55]: автономные устройства направленной волновой зашиты типа ИЗС и УЗС-01, разработанные ЭНИН [32, 56 — 59]; 69
централизованное направленное устройство сигнализации 033 (ЦНУСЗ) “Импульс”, разработанное и выпускаемое ИГЭУ [60, 61]; автономное устройство направленной защиты типа КЗЗП, разра- ботанное в Донецком политехнической институте [31, 62] и его мик- роэлектронный аналог — устройство типа ПЗЗМ, разработанное предприятием НТБЭ (Екатеринбург). Указанные выше автономные и централизованные устройства за- щиты от 033 реагируют только на электрические величины пере- ходного процесса и поэтому не обладают свойством непрерывности действия при устойчивых замыканиях на землю. Свойство непре- рывности действия при устойчивых повреждениях необходимо, прежде всего, для защит с действием на отключение (например, для упрощения согласования защит по времени срабатывания, учиты- вая, что напряжение 3(/0 не сразу исчезает в сети после отключения поврежденного участка). При выполнении защиты от 033 с дейст- вием на сигнал свойство непрерывности действия упрощает поиск поврежденного участка методом оперативных переключений в сети. На наш взгляд, наиболее эффективное и универсальное решение в части защит от 033 с действием на отключение для компенсиро- ванных сетей 6 — 10 кВ может быть получено на основе следующих принципов: направленность в переходных и установившихся режимах 033; селективность и высокая устойчивость функционирования при всех разновидностях 033, включая дуговые прерывистые и дуговые перемежающиеся замыкания; возможность фиксации кратковременных самоустраняющихся пробоев изоляции; непрерывность действия при устойчивых 033. Эти принципы реализованы в автономном направленном устройстве защиты от 033 типа “Спектр”, выполненном на микро- электронной элементной базе [61, 63]. Устройство направленной волновой защиты от 033 типа УЗС-01 [58, 59] является усовершенствованным аналогом ранее разработан- ного в ЭНИН и выпускавшихся в РОЗ “Энергоавтоматика” (Рига) устройств импульсной направленной защиты для ВЛ сетей 20 — 35 кВ типа ИЗС в полупроводниковом варианте и ИЗС-М (на микроэлектронной элементной базе). В УЗС-01 учтены особенно- сти электромагнитных переходных процессов при 033 в КЛ сетей 6—10 кВ, поэтому область его применения, в отличие от ИЗС, включает как ВЛ, так и КЛ сетей 3 — 35 кВ. Для своего функциони- рования защита использует контроль направления распространения волн переходного процесса, формирующихся в момент пробоя изо- 70
ляции фазы на ЛЭП и распространяющихся от места 033 к концам лэп. Структурная схема УЗС-01 приведена на рис. 3.12. Устройство состоит из схемы формирования сравниваемых вели- чин СФ, измерительной логики ИЛ, пускового органа по напряже- нию 3Uq — реле KV, логической части ЛЧи выходных цепей ВЦ [59]. Схема формирования СФ включает в себя вторичные преобразова- тели тока и напряжения НП TAL и TVL; частотные фильтры ZF1 — ZF3. Частотные фильтры каналов тока и напряжения НП ZF1 и ZF2пoдaвляют составляющие с частотами выше 1 кГц, фильтр пу- скового органа ZF3 выделяет составляющую промышленной часто- ты. Измерительная логика ИЛ состоит из схемы сравнения знаков ES, элементов памяти (одновибраторов) DI — D3 и элементов запре- та DN1 — DN4. Измерительная логика обеспечивает сравнение на- чальных знаков тока и напряжения (схема сравнения ES) и фикса- цию начального знака мощности НП в элементе памяти D1 (внут- реннее 033) или D2 (внешнее 033). Для исключения излишних срабатываний защиты при развитии переходного процесса и изме- нении соотношений мгновенных значений сравниваемых величин в ИЛ применена взаимная блокировка элементов памяти P/и /^че- рез элементы запрета DN1 и DN2. Пусковой орган АУобеспечивает отстройку устройства защиты (по порогу и по времени срабатыва- ния) от коммутационных переключений в сети и других режимов, не связанных с 033. Блокировка элементов памяти D1 и Р2при сраба- тывании пускового органа через элемент запрета DN3 предотвраща- ет возможность излишних срабатываний УЗС-01 при дуговых пере- Рис. 3.12. Структурная схема устройства УЗС-01 71
межающихся 033. Логическую часть устройства образуют элемент DA (И), элемент памяти D3, элемент запрета DN4 и реле времени КГ! и КТ2. Выходные цепи устройства включают в себя промежу- точные реле К1 и К2. счетчик числа срабатываний В, световые инди- каторы действия устройства на срабатывание Н1 и блокировку Н2 и световой индикатор срабатывания пускового органа НЗ. Верхняя частота рабочего диапазона устройства ограничена зна- чением 1 кГц. Устройство выполнено на микроэлектронной эле- ментной базе. Минимальный ток срабатывания (вторичный) УЗС-01 равен 0,1 А, напряжение срабатывания 1 В. Длительность совпадения или несовпадения начальных знаков и достаточная для срабатывания устройства, должна быть не менее 15 мкс. Мини- мальное время срабатывания защиты, определяемое временем сра- батывания пускового органа составляет примерно 60 мс. Питание устройства осуществляется от источника переменного оперативно- го тока напряжением 100 или 220 В. Автономное направленное устройство защиты типа КЗЗП\3\, 62]. Структурная схема устройства КЗЗП приведена на рис. 3.13. Устройство включает в себя схему формирования сравниваемых величин СФ, логическую часть ЛЧ, дуговой орган ДО и выходные цепи ВЦ. Схему формирования образуют дифференциальный дели- тель напряжения ДН в канале напряжения и пик-трансформатор ПТ в канале тока /0. Использование дифференциального делителя напряжения и пик-трансформатора имеет основной целью повы- шение чувствительности устройства к высшим гармоническим со- ставляющим в спектрах тока /0 и напряжения w0. Логическая часть устройства защиты КЗЗП включает в себя элементы памяти началь- ных знаков тока + /0 и и напряжения + и —логические схе- мы И1 и И2, устройства блокировки УБ и возврата УВ элементов па- мяти. Выходные цепи устройства включают в себя два выходных промежуточных реле Р1 и Р2и счетчик импульсов СИ. В КЗЗП в отличие от устройства защиты УЗС-01 для определения направления мгновенной мощности НП используется так называе- мая раздельная фиксация начальных знаков /0 и и0 с последующим их логическим сравнением. Взаимная блокировка элементов памя- ти обеспечивает четкую фиксацию начальных знаков сравниваемых величин. Блокировка от УБ по цепи напряжения исключает излиш- ние срабатывания устройства за счет искажений начальных фазных соотношений между /0 и при дуговых перемежающихся 033. Устройство возврата УВ обеспечивает возврат элементов памяти с заданным временем. Дуговой орган ДО реагирует на наличие высо- кочастотных составляющих в напряжении 3 £/0. Отличительной осо- 72
бенностью устройства КЗЗП является возможность действия на от- ключение только при наиболее опасных дуговых перемежающихся 033 (реле Р2) и на сигнал при менее опасных устойчивых замыка- ниях и кратковременных пробоях изоляции (реле Р7). Рабочий диапазон частот примерно 200 — 5000 Гц. Первичный ток срабатывания КЗЗП с кабельным ТТНП типа ТЗЛ в рабочем диапазоне частот менее 1 А, напряжение срабатывания (вторичное) 2 — 3 В. Время возврата элементов памяти (после отключения или самоустранения 033) 0,25 - 0,3 с. Питание устройства осуществля- ется от источника переменного оперативного тока напряжением 100 В. Устройство выполнено на электронной элементной базе. Устройство типа КЗЗП выпускалось Донецким политехниче- ским институтом. На близком к устройству КЗЗП принципе (раздельная фиксация начальных знаков переходного тока и напряжения НП с последую- щим их логическим сравнением) выполнено выпускаемое в настоя- щее время предприятием НТБЭ устройство типа ПЗЗМ-1, выпол- ненное на микроэлектронной элементной базе. В отличие от КЗЗП в ПЗЗМ-1 не предусмотрен специальный дуговой орган. Следует отметить, что принцип раздельной фиксации начальных знаков переходного тока и напряжения НП с последующим их срав- нением менее эффективен, чем используемый в устройствах ИЗС и УЗС-01 принцип сравнения начальных знаков указанных величин непосредственно в переходном процессе при 033 с запоминанием Рис. 3.13. Структурная схема устройства КЗЗП 73
факта их совпадения или несовпадения из-за возможности излиш- них срабатываний первых при малых значениях подведенных вели- чин [70, 71]. Централизованное направленное устройство сигнализации 033 (ЦНУСЗ) типа “Импульс’'. В основу ЦНУСЗ “Импульс” положены следующие основные принципы [64, 65]: контроль направления мгновенной мощности НП с использова- нием в качестве поляризующей величины производной du^/dt\ использование для действия ЦНУСЗ диапазона частот, ограни- ченного верхней 2 — 3 кГц и нижней 20 Гц частотами; синхронная фиксация начальных знаков контролируемых вели- чин duq/dt и z'q во всех присоединениях защищаемого объекта в мо- мент возникновения 033, фиксируемый быстродействующим пус- ковым органом, включенным на сумму переходных токов Е|/о| всех подключенных к ЦНУСЗ присоединений; согласование частотных характеристик и чувствительности кана- лов тока и канала du^Jdt, отстройка от возможных в компенсированных сетях нарушений начальных фазных соотношений между du^/dt и /0, обусловленных начальным значением тока в ДГР /дГР(0) в момент, предшествую- щий пробою изоляции, по току и времени срабатывания; отстройка от режимов, не связанных с 033 в контролируемой сети (коммутационных переключений, внешних междуфазных КЗ и т.д.), с помощью пускового органа, включенного на напряжение 3 (/0 и отстроенного от указанных режимов по порогу и времени срабатывания; блокировка элементов оперативной памяти ЦНУСЗ при каждом их срабатывании и синхронизация их возврата в исходное состояние с моментом возврата пускового органа по напряжению 3t/0; обеспечение помехоустойчивости ЦНУСЗ с использованием комплекса мер, включающего автоматическое стирание любой ин- формации, записанной в элементы оперативной памяти, перед каж- дой записью новой информации, при деблокировке элементов па- мяти после возврата пускового органа, при восстановлении напря- жения оперативного тока после его глубокой посадки или полного исчезновения на длительное время, при квитировании показаний индикаторов ЦНУСЗ; ограничение верхней рабочей частоты устройства и др.; возможность работы ЦНУСЗ в двух режимах: с запоминанием всех поврежденных присоединений в интервале времени между сра- батыванием устройства и квитированием световых индикаторов или 74
с запоминанием только последнего поврежденного присоединения в указанном интервале времени; возможность получения от контактного выхода устройства как общего неселективного сигнала о срабатывании устройства (по на- пряжению 3 Uq), так и общего селективного сигнала только при воз- никновении 033 в зоне действия устройства (на подключенных к ЦНУСЗ присоединениях). Устройство предназначено для селективной сигнализации 033 в сетях 3 — 10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, рези- стивно-заземленной нейтралью или с компенсацией емкостных токов. Упрощенная структурная схема устройства “Импульс” приведе- на на рис. 3.14. Типовое исполнение устройства рассчитано на подключение до 16 присоединений. Централизованное устройство включает вторич- ный преобразователь напряжения 31/0 —- TVL, 16 вторичных преоб- разователей тока TALI — TAL16, блок А 1.1 формирования сигнала, пропорционального производной du^/dt, 8 идентичных блоков А2.1-01 — А 2. /-Сформирования сигналов, пропорциональныхтоку (два канала тока /0 в каждом блоке), пусковой орган по напряже- нию 3Uq — А 1.2, блок формирования синхронизирующих и стираю- щих импульсов А 1.3, блок тестовых проверок А4.1 и блок питания А3.1. Блоки тока А2.1-01 — А2.1-08солир^га фильтры ФНЧ1, огра- Рис. 3.14. Структурная схема ЦНУСЗ “Импульс” 75
ничивающие рабочий диапазон частот ЦНУСЗ “сверху”, формиро- ватели знака переходного тока F3 и F4, измерительную логику на элементах ИЛИ К И1, И2, ИЛИ4. элементы оперативной и долговре- менной памяти на триггерах Т2 и ТЗ и световой индикатор повреж- денного присоединения — светодиод HL. В элементах оперативной памяти /^информация хранится только до срабатывания пускового органа по 3t/0, в элементах долговременной памяти ТЗ -- до ручного или автоматического квитирования показаний устройства. Блок А 1.1 содержит фильтр ФНЧ2, имеющий такую же частотную харак- теристику, как и фильтры в каналах тока ФНЧ1, дифференциатор, формирователи знака производной du[}/dr - F8, F9m усилители У2, УЗ. Чувствительность ЦНУСЗ по первичному току в рабочем диапа- зоне частоте ТТНП типов ТЗ,ТЗЛ, ТЗЛМ, ТЗРЛ составляет 2 — 4 А, чувствительность по напряжению 3t/0 равна примерно 1 В (вторич- ное напряжение). Время срабатывания измерительных элементов (включая время срабатывания измерительной логики и элементов оперативной памяти) не более 35 — 45 мкс, напряжение срабатыва- ния пускового органа по 3t/0 равно 15 — 30 В, время срабатывания 8 — 12 мс. Блок тестовых проверок обеспечивает возможность про- верки в режиме срабатывания или несрабатывания всех элементов ЦНУСЗ за исключением первичных обмоток TAL и TVL. Питание устройства осуществляется от переменного напряжения 220 В. Автономное комплексное направленное устройство защиты от 033 типа “Спектр ”[61,63]. В устройстве “Спектр” фактически реализо- ваны два способа определения поврежденного присоединения, пер- вый из которых предусматривает сравнение знаков производной на- пряжения НП duQ /dt и тока /р переходного процесса в заданном спектре частот [65], а второй — сравнение знаков высших гармоник тех же величин в установившемся режиме 033 [47]. Реализация вто- рого из указанных способов обеспечивается автоматически при реа- лизации первого, если рабочий спектр частот токов переходного процесса устройства включает рабочий диапазон частот токов вы- сших гармоник, и чувствительность по первичному току в рабочем диапазоне частот достаточна для устойчивого функционирования, как в переходном, так и в установившемся режимах 033. Комбина- ция в одном устройстве двух способов определения поврежденного присоединения обеспечивает возможность селективно определять поврежденное присоединение при всех разновидностях 033 (устой- чивых, кратковременных самоустраняющихся, прерывистых дуго- вых, включая дуговые перемежающиеся) и обеспечивает непрерыв- ность действия при устойчивых замыканиях на землю. В отличие от ЦНУСЗ “Импульс” измерительный орган устройства “Спектр” в 76
переходных режимах 033 реагирует не на мгновенные соотношения знаков сравниваемых величин du^/dt и в заданный момент фикса- ции, а на интегральную величину 7= в интервале вре- мени срабатывания. Этой же величиной определяется поведение устройства “Спектр” в установившемся режиме 033. Такое выпол- нение измерительного органа обеспечивает непрерывность дейст- вия устройства не только в установившемся режиме 033, но и при переходном процессе в течение времени существования тока Это обеспечивает высокую степень защищенности от влияния импуль- сных помех и значительно снижает вероятность ложных или излиш- них срабатываний, что особенно важно для защиты с действием на отключение. Устройство “Спектр” предназначено для выполнения защиты от 033 с действием на отключение или на сигнал, прежде всего в сетях, работающих с компенсацией емкостных токов. Однако высокая чувствительность устройства по первичному току высших гармоник (до 20 мА в рабочем диапазоне частот) и высокая степень отстройки с помощью фильтров в каналах тока и напряжения НП от влияния составляющих промышленной частоты обеспечивают возможность применения его не только в компенсированных сетях, но и в сетях, работающих с изолированной нейтралью или с высокоомным за- землением нейтрали через резистор. Функционально-структурная схема устройства “Спектр” приве- дена на рис. 3.15. Рис. 3.15. Функционально-структурная схема устройства типа “Спектр” 77
Устройство включает в себя четыре основных функциональ- но-конструктивных блока: блок А 1.1 формирования в рабочем диа- пазоне частот сигналов, пропорциональных току и duy/dt; пуско- вой орган по напряжению 3t/0, схему сравнения фаз и выходные цепи устройства А 1.2; блок питания А1.3; блок тестового контроля А 1.4. Основная рабочая полоса частот для электрических величин пе- реходного процесса при 033 включает частоты от 20 Гц до 3 кГц (при подавлении составляющей 50 Гц в 2000 - 3000 раз), основная рабочая полоса частот установившегося режима 033 составляет 150 — 1450 Гц (3 — 29-я гармоники). Устройство сохраняет работо- способность в полосе частот высших гармоник установившегося ре- жима 033 до 3 кГц (при уменьшенной чувствительности по первич- ному току). Минимальный первичный ток срабатывания устройства в установившемся режиме 033 в основной рабочей полосе частот с ТТНП типов ТЗ, ТЗЛ, ТЗЛМ примерно равен 20 мА. Первичный ток срабатывания устройства в рабочей полосе частот токов пере- ходного процесса не превышает 250 мА. Чувствительность устрой- ства по напряжению (вторичному) 3t/0 не превышает 60 мВ. Напря- жение срабатывания пускового органа 15 - 30 В, время срабатыва- ния 8 — 15 мс. Питание устройства осуществляется от встроенного универсального блока питания ± 15 В, включаемого на переменное напряжение 100 ил и 220 В с частотой 50 Гц, или от источника посто- янного оперативного тока напряжением 110 или 220 В. Устройство имеет контактный выход с одним замыкающим контактом. Устройство “Спектр” выполнено на микроэлектронной элемент- ной базе с использованием интегральных микросхем серий К140 и К561. Конструктивно устройство выполняется в корпусе типа “Сура” ЧЭАЗ. 78
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ Расчеты защит от замыканий на землю 4.1. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ОБЩЕЙ НЕСЕЛЕКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ НАПРЯЖЕНИЯ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ При выполнении защит без выдержки времени (например, с це- лью фиксации кратковременных самоустраняющихся пробоев изо- ляции) несрабатывание защиты в режимах без 033 (нормальных ра- бочих режимах, при коммутационных переключениях в сети, внеш- них КЗ на землю со стороны сети с гл ухозаземленной нейтралью) обеспечивается выбором напряжения срабатывания реле KV и при необходимости дополнительно выбором выдержки времени. В об- щем случае первичное напряжение срабатывания t/0 с 3 должно вы- бираться из двух условий: отстройки от максимального напряжения небаланса £/Онб тах ФННП, обусловленного несимметрией нагрузки и других элемен- тов TH и несимметрией емкостей фаз сети на землю: Uq с.з > ^отсЦ) нб max’ (4.1) где Когс -- коэффициент отстройки, учитывающий погрешности расчета реле и необходимый запас (принимается равным 1,2); отстройки от максимального напряжения Ц)Н(С> тах> появляюще- гося в сети низшего (среднего) напряжения при КЗ на землю или 033 в сети высшего (среднего) напряжения: с.з - ^отсЦ)н(с) max’ (4.2) где Аотс, каки в (4.1), можно принять равным 1,2. 79
Расчетное напряжение небаланса в (4.1) можно определить как сумму двух составляющих: Ц) нб max нб /яахФННп! + I—W max I’ (4.3) где Ц)нбтах ФННП — составляющая напряжения небаланса, обу- словленная погрешностями ФННП; Uj^max — смещение нейтрали сети, обусловленное несимметрией емкостей фаз сети на землю. Напряжение небаланса ФННП можно определить из выражения [381: Ц)нб maxФННП ^ф-НОМ'^Ь' 2 (4.4) где fy — погрешность TH (можно принять, что во всех режимах ра- боты TH погрешность соответствует классу 3, т.е. = 0,03). Для сети с изолированной нейтралью напряжение смещения нейтрали UN можно определить по выражению (2.2). Если принять —С~а^А - оператор фазы), \ЕА\ = {/ф ном, 12л I= [Гя| = 1/соС0В, |ГС| = 1/соС0С, из (2.2) получим п "ф.ном(0< + a2Qfi +flCbc) JT (л UN* —-----------------------= анес^ф.ном’ (4-5) где анес определяет степень емкостной несимметрии сети. В кабельных сетях анес практически равно нулю, так как фазы ка- беля расположены симметрично относительно заземленной брони. В воздушных сетях емкости С0А, С05и QcHe равны даже при транс- понировании проводов и для них анес « 0,005 ч- 0,02 [28, 39]. Для компенсированных сетей смещение нейтрали Cl U гт **нес ф.ном (4.6) /сЕ - / l •• » где v = —- — степень расстройки компенсации; а ~ — ---ко- Ле wC(E эффициент успокоения сети; 6Е — суммарная активная проводи- мость фазы сети на землю. 80
Рис. 4.1. Возникновение напряжения НП в сети низшего напряжения при КЗ на землю или 033 в сети высшего напряжения за счет емкостной связи между об- мотками силового трансформатора: а — поясняющая схема; б — упрощенная схема замещения НП Рис. 4.2. Возникновение напряжения в сети низшего ианряжеиия нри КЗ на землю или 033 в сети высшего напряжения при двухстороннем заземлении ней- тралей силового трансформатора: а — поясняющая схема; б — упрошенная схема замещения НП Для компенсированных сетей в среднем d~ 0,05 ч- 0,07 [3, 39]* При резонансной настройке ДГР (v — 0) напряжение смещения нейтрали сети достигает максимального значения и равно: п U Л нес ф.ном (4-7) d 81
Воздействие КЗ на землю или 033 в сети высшего напряжения на сеть низшего напряжения показано на рис. 4.1 и 4.2. В первом случае причиной появления напряжения (70н является электростатическая (емкостная) связь между обмотками силового трансформатора. Это имеет место, если сеть низшего напряжения работаете изолирован- ной нейтралью или подключена со стороны обмотки силового трансформатора, соединенной в треугольник. Во втором случае трансформатор заземлен с двух сторон. Напряжение £/Он для первого случая можно определить из упро- щенной схемы замещения НП на рис. 4.1, б. При изолированной нейтрали сети Цн равно: Qo + Coz’ (4.8) где (70в — напряжение НП со стороны высшего напряжения при КЗ на землю или 033; к < 1 - коэффициент, учитывающий распреде- ление (/Ов вдоль обмотки трансформатора с заземленной нейтралью (при изолированной нейтрали силового трансформатора к—\); С|() — емкость между обмотками трансформатора. Обычно Сг () <s С0Е, и (/Он не превосходит нескольких процентов t/ф ном стороны высшего напряжения. При высокоомном заземлении нейтрали через резистор и 1/3<оС0Е напряжение (/Он, определяемое выражением —УТ-’ Чел2 (4-9) будет меньше, чем в сети с изолированной нейтралью. В сети с низкоомным заземлением нейтрали йдг1/ЗсоС0Е, и Ц)н практически равно нулю. При работе сети с компенсацией емкостных токов Ц)н определя- ется из выражения: (/Он = - - « ки^с,.о (4. Ю) з/(Ст,о + vQe)2 + (^Ое)2 + 82
Из (4.10) можно видеть, что максимальных значений напряжение (/Он достигает в сети с компенсацией емкостных токов при резонанс- ной настройке ДГР и к = 1 (нейтраль трансформатора со стороны высшего напряжения изолирована) и равно: /Л ~ v0h max ~ “Че (4.11) Второй случай возможен при заземлении трансформатора с двух сторон (см. рис. 4.2). Практически это может иметь место, напри- мер, при питании сети 35 кВ, работающей с компенсацией емкост- ных токов или с высокоомным заземлением нейтрали, от сети ПО — 220 кВ, работающей с глухозаземленной нейтралью. В этом случае главной причиной возникновения t/()c в сети среднего напря- жения при КЗ на землю в сети высшего напряжения является транс- формация НП. Напряжение для этого случая можно определить из упрощенной схемы замещения НП на рис. 4.2, б. В схеме замеще- ния все сопротивления и напряжения предполагаются приведенны- ми к одному напряжению. При заземлении нейтрали трансформатора со стороны среднего напряжения через резистор R^сопротивление вторичного контура, состоящего из Z^ с, ЗЯдИ С01, много больше, чем сопротивления об- моток трансформатора Z^ в и 7^ н. Поэтому напряжение можно определить из выражения: ""izfti- <4121 При резонансном заземлении нейтрали со стороны сети среднего напряжения (со£ЛГР-------= 0) напряжение t/^, как следует из выражения (4.11), может достигать значений, значительно превы- шающих t/ф ном. Поэтому резонансное заземление нейтрали сети среднего напряжения при глухом заземлении нейтрали со стороны сети высшего напряжения на одном и том же трансформаторе недопустимо. При выполнении устройства контроля изоляции с выдержкой времени на срабатывание (в этом случае не фиксируются кратковре- менные самоустраняющиеся пробои изоляции) при выборе Uq с 3 по (4.2) можно учитывать только длительно существующие 033 со сто- 83
роны смежной сети с малыми токами замыкания на землю (напри- мер, со стороны сети 35 кВ), так как КЗ на землю в сети с глухозазем- ленной нейтралью отключаются зашитой от данного вида повреж- дений. В этом случае время срабатывания устройства контроля изоляции должно быть согласовано с временем срабатывания резер- вных защит от КЗ на землю линий со стороны высшего напряжения: ^с.з - (с.з рез max (4.13) где AZ- 0,5 с. Практически напряжение срабатывания без расчетов по (4.1) и (4.2) часто принимают равным 0,15 t/ф ном (что при использо- вании максимального реле напряжения типа РН-53/60Д соответст- вует минимально возможному для данного реле напряжению 6' min — 15 В), а выдержку времени равной 9 с. Чувствительность устройства контроля изоляции при 033 в кон- тролируемой сети оценивается коэффициентом чувствительности: F = ^Omin > F лч гт - ч min доп’ ^Ос-з (4.14) где Кчттдоп — минимально допустимое значение коэффициента чувствительности (принимается равным 1,25 для кабельных сетей и 1,5 для воздушных сетей [9]). При применении общей неселективной защиты напряжения НП в качестве резервной с действием на отключение значение 3 вы- бирается из тех же условий, что и для устройства контроля изоляции. Время срабатывания защиты выбирается из условия отстройки от основных селективных защит от 033: ^С.З - ^с.з осн + М, (4.15) где tc 3 осн » 0,1 с; ДГ« 0,5 с. 4.2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Несрабатывание защиты при внешних 033 и в режимах без 033 обеспечивается выбором тока срабатывания /()с 3 и в необходимых 84
случаях времени срабатывания /сз. Первичный ток срабатывания зашиты выбирается из двух условий: отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присо- единения ICl при дуговых перемежающихся 033: (4.16) где Ктс = 1,2 * 1,3 — коэффициент отстройки, учитывающий по- грешность реле тока, ошибки расчета ICi и запас; К^р - коэффици- ент, учитывающий увеличение действующего значения /спри дуго- вых перемежающихся 033 (принимается равным 4 — 5 при выпол- нении защиты с реле типа РТ-40, 3 — 4 — с реле типа РТЗ-50 и 2 — 2,5 — с реле типа РТЗ-51); отстройки от максимального тока небаланса ФТНП в режимах без 033 или при внешних междуфазных КЗ: А)с.з - ^отс^нб max'» 17) где = 1,25 для трехтрансформаторных ФТНП и 1,5 — 2 (учиты- вая приближенный характер определения 1н^тах) для кабельных ТТНП. Для защит от 033, действующих на сигнал, в сетях с изолирован- ной нейтралью и с высокоомным заземлением нейтрали через рези- стор дополнительно к указанным выше расчетным условиям необ- ходимо учитывать также возможность наложения внешнего 033 на режим, обуславливающий возникновение максимального тока не- баланса /нб тах. Расчетное условие отстройки защиты от тока неба- ланса в этом случае будет иметь следующий вид: А)С.З ~ ^ОТсУс + ^OTC^n6fflO.¥’ (4- 1 8) где К'^ = 1,2- 1,3; /С’тс - 1,25 для трехтрансформаторных ФТНП и 1,5 — 2 для кабельных ТТН П. При выборе /Ос 3 по данному условию можно пренебречь вероят- ностью наложения режима, обуславливающего максимальный ток небаланса, на режим дугового перемежающегося или прерывистого ОЗЗ(Л^р= 1). Следует отметить также, что названные выше значения опре- делены для условий дугового перемежающегося 033 в сетях, работа- ющих с изолированной нейтралью. В сетях с высокоомным режи- мом заземления нейтрали, где 033 могут носить дуговой прерыви- 85
стый, но не перемежающийся характер, значения Л^р в (4.16) могут быть уменьшены. Кроме того, в сетях с низкоомным заземлением нейтрали через резистор в интервале времени срабатывания защиты практически маловероятно возникновение и дуговых прерывистых 033, т.е. для сетей с данным режимом заземления нейтрали в (4.16) в принципе можно было бы принять = 1. Однако надежное подав- ление дугового прерывистого характера 033 после первичного про- боя изоляции, как отмечалось в гл. 1, возможно только при доста- точно больших значениях накладываемого активного тока. Приня- тые в России значения активного тока (например, около 35 А в сетях 6 кВ собственных нужд электростанций [10]), не исключают полно- стью возможность дугового прерывистого характера 033 в началь- ной стадии развития повреждения. Поэтому для сетей с низкоом- ным заземлением нейтрали следует также принимать > 1. Вычисленные по выражениям (4.16) — (4.18) значения 7()cj могут оказаться меньше, чем минимальный первичный ток срабатывания защиты /(}сз min, определяемый техническими характеристиками реле тока и ТТНП и схемой соединения их вторичных обмоток. В этом случае ток срабатывания защиты выбирается из условия: 4)с.з - 4)с.з rniir (4.19) Собственный емкостный ток 7св (4.16) и (4.18) определяется как сумма емкостных токов всех электрически связанных участков и элементов (КЛ или ВЛ, электродвигателей и тд.), находящихся в зоне действия защиты от 033. Собственный емкостный ток ЛЭП (участка ЛЭП) определяется по выражению: Л?л ном> (4.20) или ?Сл ^СОл^л’ (4.21) где С0;1 — удельная емкость фазы ЛЭП на землю, Ф/км; /л длина ЛЭП (участка ЛЭП), км; <о = 2л 50, 1/с; ном — номинальное фазное напряжение сети, В; п — число параллельных ЛЭП в одной цепи (для КЛ); 7^ - собственный емкостный ток ЛЭП на единицу длины, А/км. 86
Рис. 4.3. Схемы замещения кабельных ТТНП для расчета токов небаланса: а — при одном ТТНП на присоединении; б — при параллельном соединении ТТНП; в - при последовательном соединении ТТНП (в схемах замещения все сопротивления и токи приведены к первичной цепи) а — при одном ТТНП на присоединении; б~ при параллельном соединении вторичных обмоток ТТНП; в — при последовательном соединении вторич- ных обмоток ТТНП (сопротивления схем замещения приведены к первичной цепи) 87
Для КЛ С();1 (или /сол) определяется по справочным данным [40, 67 и др.]). Средние значения емкостного тока 033 для КЛ 6 — 10 кВ приведены в приложении 1. Формулы для расчета средней емкости фазы относительно земли СОл и средние значения емкост- ных токов 033 для ВЛ 6 — 10 кВ приведены в приложении 2. Собственный емкостный ток электродвигателей (ЭД) рассчиты- вается по выражению: ^Сэд ^Оэд^^ф. ном’ (4.22) где СОэд — емкость фазы обмотки статора ЭД на землю. При отсутствии данных завода-изготовителя для приближенных расчетов Cq.J4 (в фарадах) можно определить по формулам, приве- денным в приложении 3. Суммарный емкостный ток сети /сЕ определяется как сумма всех присоединений защищаемого объекта: /СЕ = (1,1 + 1,2)Е/С/, (4.23) где 1,1 — 1,2 — коэффициент, учитывающий емкость фаз на землю шин, ошиновок, трансформаторов и др.; п — число присоединений сети. Первичный ток небаланса в (4.17) и (4.18) для трехтрансформа- торного ФТНП определяется по выражению: / = К / нб так нб'расч max’ (4-24) где /расч тах — максимальное значение фазного тока, протекающего в месте установки ФТНП в режимах без 033 (рабочем режиме, при пуске или самозапуске ЭД, внешнем КЗ и т.д.); — коэффициент небаланса. Значение коэффициента /Гнб принимается в зависимости от крат- ности /рзСЧ тах по отношению к номинальному току трансформато- ров тока. При небольших кратностях, до (2 4- 3)/ном , рекомендуется принимать — 0,05, при больших кратностях = 0,1 [68]. Токи небаланса в однокабельных ТТНП возникают, как отмеча- лось выше, вследствие неравенства взаимоиндукции между разны- ми фазами первичной цепи и вторичной обмоткой. Схема замеще- ния ТТНП для токов небаланса существенно отличается от схемы замещения для тока. В этом режиме сопротивление намагничива- ния образуется сопротивлением взаимоиндукции %нб, которое 88
Таблица 4.1. Расчетные значения /Ос л т/„ для токовых защит от 033 Тип ТТНП Тип реле тока С тт' А Число ТТНП и соединение их вторичных обмоток 1 2 3 4 2 3 4 Параллел ьное Последовател ьное тзлм РТ-40/0,2 0,1 7,5 (8,6)* 12,5 17,5 22,5 10 (Н,6)* 12,5 15 РТ-40/0,2 0,05 11,25 21,25 31,25 41,25 12,5 13,75 15 РТЗ-50 0,03 4,12 (3,5)* 7,5 10,88 14,25 4,88 (4,0)* 5,63 6,38 тзлм РТЗ-51 0,2 0,55 (0,6)** 0,6 (0,89)** 0,65 (1,08)** 0,7 (1,33)*’ 1,05 (1,08)** 1,55 (1,6)** 2,05 (2,16)” ТЗРЛ РТ-40/0,2 0,1 19,17 (20)’ 35,83 52,5 69,17 21,67 (25)’ 24,17 26,67 РТ-40/0,2 0,05 34,58 67,92 101,25 134,58 35,83 37,08 38,33 РТЗ-50 0,03 12 23,25 34,5 45,75 12,75 13,5 14,25 РТЗ-51 0,02 0,67 (0,81)** 0,83 (1,0)‘* 1,0 (1,2)** 1,16 (1,52)*’ 1,17 (1,34)’* 1,67 (1,95)** 2,17 (2,56)” Примечание. В скобках приведены значения /Ос 3min, полученные по результатам ис- пытаний. * По данным [40]. ** По данным [69]. определяется конструктивными размерами ТТНП и взаимораспо- ложением его вторичной обмотки и фаз первичной цепи. Если пре- небречь сопротивлением вторичной обмотки ТТНП (рассеяния и активным) и соединительных проводов, схемы замещения для рас- чета тока небаланса /нб тах для различных схем включения измери- тельного реле тока (см. рис. 3.2,3.3) будут иметь вид, показанный на рис. 4.3. Следует отметить, что в схемах замещения ТТН П для токов неба- ланса по рис. 4.3 ZHaM в общем случае не равно 2^, в схемах замеще- ниядлятоков 033 (рис. 4.4). Из схем замещения на рис. 4.3,исполь- зуя метод наложения, получим следующие выражения для опреде- ления первичного тока небаланса /нб в симметричном режиме (нагрузочном режиме, при трехфазном КЗ и т.п.): при одном ТТНП на присоединении (см. рис. 3.2, б): у _ I £11 ^нб______________£Аб______(4 25) "6-IA,6 + z;Ha„ + zp|~|x,16 + ZliaM + zpr 89
при параллельном соединении вторичных обмоток и ТТНП (см. рис. 3.3, а): т ~ 1—1 +—2 + ~ ^цб _ ^расч^иб_______. h6~I^h6 + zm„+»zpi |z116 + z'„aM+nzpr '• при последовательном соединении вторичных обмоток п ТТНП (см. рис. 3.3, б): J ~ 1 —2^~"'+—«I ^нб ____^расч^нб /д л7?\ H6'i«(A',,6+z:„aM)+zpn„(zH6+z:„aM)+zpr ' Аналогичным способом можно получить выражение для опреде- ления расчетного тока небаланса при смешанной схеме соединения вторичных обмоток ТТНП (см. рис. 3.3, в). Например, для схемы из N— пт ТТНП (где т — число параллельно включенных трансфор- маторов тока в группе, п — число последовательно включенных групп) получим: ] ~ I —I + —2+~ • -+Ln I ^нб _Расч ^нб___ м 28) H6'l«(A-116 + z'[iaj+mzi,n«(A-„6 + Z„aM) + mzpr ' Из выражений (4.25) — (4.28) можно видеть, что ток небаланса уменьшается при увеличении Zp. Поэтому схемы токовой защиты НП, выполненные с применением реле тока типов РТ-40, ЭТД-551, РТЗ-50 (2р — десятки Ом) менее подвержены влиянию электромаг- нитных наводок от первичных цепей тока на вторичную обмотку ТТНП, чем схемы защиты с реле типа РТЗ-51 (Хр = 1 Ом). Параметры основных типов ТТНП (Тн6, Z^), необходимые для определения тока небаланса /нб, приведены в приложении 4. Расчетные значения первичного тока срабатывания /()сз min в вы- ражении (4.19) для исполнений защиты с различными ТТНП и реле тока приведены в табл. 4.1. Различие расчетных и экспериментально полученных значений 4)с.зт/« в табл- 4.1 объясняется возможными существенными отли- чиями действительных параметров ТТНП от их расчетных значе- ний, особенно для разъемных трансформаторов тока с немагнит- ным зазором (типа ТЗРЛ и ТЗР). 90
При отсутствии табличных данных /()с 3 min можно определить по схемам замещения ТТНП в режиме 033, приведенным на рис. 4.4. В схемах на рис. 4.4 Zs — сопротивления вторичных обмоток ТТНП (рассеяния и активное) и соединительных проводов, п — чис- ло ТТНП на присоединении. Для определения минимального пер- вичного тока срабатывания защиты в схемах замещения по рис. 4.4 необходимо принять /р = /ср min и 3[/oi 4)2 /би I — 4)с.з mirr При ZHaM j — ^нам 2 ~ ^нам п ~ —нам и Zs[ ~ Zs2... Zsn = Zs из схем на рис. 4.4 получим: при одном ТТНП на присоединении: ^Ос.зтгп ^cpmin^TTHn cpm/nW2TTHn —нам —нам ) (4.29) при параллельном соединении ТТНП: Ос.з min ~ ' ср гши^ТТНП —нам J (4.30) при последовательном соединении ТТНП: 4)с.з min в П^срт/лИ?2ТТНП 1 + Z^nZs\ П—нам J (4.31) Аналогичным способом можно получить выражение для опреде- ления расчетного значения /()с 3 min при смешанной схеме соедине- ния ТТНП. Например, для схемы из N = дотТТНП (где tn — число параллель- но включенных трансформаторов тока в группе, п — число последо- вательно включенных групп) при ZHaM t = ZHaM 2 = ...ZHaM п = ZHaM и ^1= ^2-= 5 получим: Ос.з min ~ И^срт/п^зттнп! mZ + nZ —р —5 nZ "—нам (4.32) 91
Технические данные ТТНП (ZH3M, w2 тгнп)’ необходимые для определения 3 mitv приведены в приложении 4. Из (4.32) можно видеть, что при заданном числе ТТНП на присо- единении N— пт существует оптимальная схема соединения вто- ричных обмоток трансформаторов тока и реле, обеспечивающая наименьшее значение первичного тока срабатывания. Дифферен- цируя (4.32) по «с учетом, что т = 7V: я, из условия—Oc-tTOJ" = q ПОЛу_ дп чим, что оптимальной схеме соединения ТТНП соответствует: ^опт Z + Z — —паМ —д (4.33) Полученное по (4.33) значение «опт округляется до ближайшего целого значения. Эффективность функционирования токовой защиты НП при внутренних 033 оценивается коэффициентом чувствительности: г __ 1 Опов/и/л у ч 7 - Лч min доп» ‘ Ос.з (4.34) где /0 пов min — минимальное значение тока 3/0, протекающего через место установки защиты, при внутреннем металлическом 033; Хч min доп — минимально допустимое значение коэффициента чув- ствительности (для кабельных сетей принимается равным 1,25, для воздушных сетей — 1,5 [9], для защиты от 033 электродвигателей с действием на отключение необходимо иметь Кч min доп = 2 169])- Значение 3/0 пов min определяется следующим образом: для сети с изолированной нейтралью: 4) пов min АзХ min С пов» (4.35) где /сЕ min — минимальное (с учетом возможных эксплуатационных режимов работы) значение суммарного емкостного тока сети; /с пов — собственный емкостный ток защищаемого присоединения; для сети с заземлением нейтрали через резистор: Опов min сХ min С пов) + R » (4.36) 92
где IR — t/ф ном /Ядг—активная составляющая тока 033 (при низко- омном заземлении нейтрали IR » /сЕ и /0 пов » /Л); для компенсированной сети: 4) пов min -J(v^cE ^Спов^ + (^сЕ^ > (4.37) где v - степень расстройки компенсации; d — коэффициент успо- коения сети (определяется отношением активной составляющей тока 033 к /сЕ). Как правило, определяющим для выбора 70с 3 является условие отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присое- динения ICl при дуговых перемежающихся 033 (4.16). С учетом это- го из (4.16), (3.41) и (3.42) можно получить общее условие примени- мости токовой защиты для сети с изолированной нейтралью: сЕ min 1 С пов ^отс^бр^ч min доп- (4.38) С пов При указанных выше значениях Ктс, К6р и K4minwn условие (4.38) практически выполняется, если собственный емкостный ток защищаемого присоединения /Спов не превышает 10 — 20 % от /сХ. Таким образом, токовая защита не применима на присоединениях, собственные емкостные токи /а которых соизмеримы с суммарным емкостным сети /с1. Условия применимости токовой защиты НП (4.38), как правило, не выполняются на объектах с небольшим числом линий малой протяженности (кабельных сетях передвиж- ных установок и торфоразработок, шахтных, карьерных сетях и др.). В таких сетях также часто суммарный емкостный ток сети /сЕ не превышает токовых защит НП, определяемый техниче- скими возможностями ТТНП и токовых реле. В тех случаях, когда токовая защита НП не применима, может быть использована токо- вая направленная защита, основанная на контроле фазных соотно- шений между электрическими величинами промышленной частоты зДиЗ/о. 93
4.3. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ С РЕЛЕ ТИПА ЗЗП-1М ИЛИ ЗЗН Направленная защита от 033 по принципу действия не требует отстройки от собственного емкостного тока защищаемого присое- динения. Поэтому первичный ток срабатывания защиты /()с 3 опре- деляется из условия обеспечения требуемой чувствительности: А)с.з расч ~ (4?Z — С пои )/^ч min доп’ (4.39) где Лч mjn доп > 2. По полученному значению /()с 3 р.1СЧ принимают ближайшее мень- шее значение уставки устройства защиты типа ЗЗП-1М или ЗЗН по току. Устройство защиты типа ЗЗП-1М имеет три уставки, которым со- ответствуют следующие значения первичного тока срабатывания: 1 — /с 3 = 0,07 А, 2 — /с 3 = 0,5 А, 3 — /с 3 = 2 А. Устройство защиты типа ЗЗН имеет три уставки по току (1 — / с 3 = 0,07 А, 2 — I с 3 = = 0,25 А, 3 — /с 3 = 2,5 А) и три уставки по напряжению (вторично- му) — 10,14 и 20 В. Напряжение срабатывания пускового органа на- пряжения (ПОН) устройства ЗЗН выбирается из тех же условий, что и напряжение срабатывания общей неселективной защиты по на- пряжению ЗЦ). 4.4. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СРАБАТЫВАНИЯ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ АБСОЛЮТНОГО ЗАМЕРА ВЫСШИХ ГАРМОНИК С УСТРОЙСТВОМ ТИПА УСЗ-2/2 Устройство УСЗ-2/2 реагирует на сумму высших гармоник рабо- чего диапазона частот (150 — 650 Гц) в токе 3/0 защищаемого присо- единения. При 033 высшие гармоники тока 3/0 в месте поврежде- ния распределяются между неповрежденными присоединениями пропорционально емкостям их фаз на землю ЗС0/ (т.е. собствен- ным емкостным токам присоединений ток высших гармо- ник в поврежденном присоединении равен сумме токов высших гармоник в неповрежденных присоединениях, т.е. пропорцио- нален (/сЕ - /(7пов )• Поэтому для обеспечения несрабатывания при внешних 033 первичный ток срабатывания токовой защиты абсо- лютного замера должен выбираться по условию отстройки от вы- 94
сших гармонических составляющих в токе 3/д защищаемого присоединения: 4)с.з - (4.40) где коэффициент атах определяет максимальное содержание вы- сших гармоник рабочего диапазона частот в токе 033. Содержание высших гармоник в токе 033 в зависимости от осо- бенностей электрической сети (количества и характера источников высших гармоник, режимов их работы, режимов работы сети и др.), как показывают исследования различных авторов, может изменять- ся в широких пределах — от единиц процентов до примерно 50 % (атах ~ 0,01 — 0,5). Поэтому достаточно точный выбор уставок сра- батывания и, следовательно, оценка чувствительности по первично- му току для устройств абсолютного замера уровня высших гармоник в общем случае невозможны. Учитывая это, уставки срабатывания защиты от 033 с устройствами УСЗ-2/2 определяют приближенно по значению суммарного емкостного тока сети /сЕ и уточняют в про- цессе эксплуатации защиты. Для предварительно выбранной устав- ки /уст ® /сЕ по техническим характеристикам устройства УСЗ-2/2 определяется первичный ток срабатывания защиты на частоте 50 Гц /50 с з и проверяется ее отстроенность от собственного емкостного тока защищаемого присоединения: ^50 с.з - ^отсЛ> (4.41) где — коэффициент отстройки (рекомендуется принимать рав- ным 2 — 3 [41]). В электрических сетях с соотношением /с > 0,1 /сЕ выбор уставки срабатывания производится по значению тока, равного 10/с [40]. Для защиты, выполненной на принципе относительного замера уровня высших гармоник в токах 3/0, выбор уставок срабатывания не требуется. 95
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Емкости фаз на землю и емкостные токи замыкания на землю кабельных линий 6 - 10 кВ Таблица Г1 I . I . Расчетные емкости фазы на землю и емкостные токн замы- кания на землю для трехжильиых кабелей с неясной изоляцией и секторными жилами Номинальное сечение жил, мм2 6 кВ ЮкВ СОл, мкФ/км’ 7соя,А/км СОл, мкФ/км’ /СТ)1А/км 25 0,137 0,447 0,109 0,593 35 0,158 0,516 0,124 0,675 50 0,183 0,597 0,142 0,773 70 0,214 0,699 0,165 0,898 95 0,247 0,806 0,192 1,045 120 0,278 0,908 0,215 1,170 150 0,311 1,015 0,238 1,295 185 0,343 1,114 0,262 1,426 240 0,383 1,250 0,292 1,589 Поданным [73]. Таблица П 1.2. Расчетные емкости фазы на землю и емкостные токи замыка- ния на землю для одножильных кабелей и трехжильных кабелей с отдельно изо- лированными свинцом или алюминием жилами Номинальное сечение жил, мм2 6 кВ 10 кВ СОл, мкФ/км’ Лт),1.А/км Со л, мкФ/км* /СТ)лА/км 25 0,32 1,045 0,26 1,415 35 0,37 1,208 0,30 1,632 50 0,43 1,404 0,35 1,904 70 0,49 1,600 0,40 2,177 95 0,56 1,828 0,45 2,449 120 0,62 2,024 0,49 2,666 150 0,67 2,187 0,54 2,938 185 0,74 2,416 0,59 3,210 240 0,83 2,710 0,66 3,591 300 0,92 3,004 0,72 3,918 По данным [73]. 96
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Определение емкостей фаз относительно земли для воздушных линий Для ВЛ средняя емкость фазы относительно земли вычисляется по следующим упрошенным формулам, Ф/км: трехфазная одноцепная ЛЭП без троса: С =_____1 . 1 Ол an+2al2 9 106 ’ (П2.1) 2йс_ 14 A fjj +he+hc где ап = 21п—а^ = 2\п U— -I; в — — средняя высота 11 г 12 V Z)2 ₽ 3 1 ср л &А 7? + АС НС подвеса провода над землей, м; Dcp ~—^s.-.....— среднее рас- стояние между проводами, м; г — радиус провода, м; трехфазная одноцепная ЛЭП с одним тросом: гдел5 - э ’1s а2 S3 = 1п f чд D2 \ лср яц+2а12-3а5 9 IО6 ’ (П2.2) = = ^D^DBsDCs - среднее + 1 , ass расстояние между проводом и тросом; hs — высота подвески троса; rs— радиус троса; ам, а12, Аср — тоже, что и в (П2.1); трехфазная двухцепная ЛЭП без тросов: °Л аи +а\\ +2(а12+^2) 9106’ ' э, i^A2 ” , I 4й2 ” &АА ^~^вв+^сс где а. =21п —^- + 1; аи = 21п —^ + 1; /Д =--------~----— 1 Л? 12 1 Л 2 ’ ср о I I D'cp = DAB + Dgc+DCA.D,^ D,^ D.^ D’bc: _ расстояния меж. ду проводами различных цепей; ан, а!2, Лср — тоже, что и в (П2.1); трехфазная двухцепная ЛЭП с одним тросом: аи +а[] +2(а12 + а[2)-3as 9• 106 ’ (П2.4) где все величины, входящие в формулу, определяются так же, как и в предыдущих случаях. 97
Таблица П 2 . 1 . Средние значения емкости фазы относительно земли для воз- душных линий 6 - 10 кВ Воздушные линии Емкость фазы, мкФ/км, для ВЛ 6 кВ 10 кВ Одноцепная ЛЭП без троса 0,013 0,0256 Одноцепная ЛЭП с тросом — 0,032 Двухцепная ЛЭП без троса 0,017 0,035 Втабл. П2.1 приведены средние значения емкостноготоказамыка- ния на землю для ВЛ 6 — 10 кВ. В тех случаях, когда параметры ВЛ неизвестны, удельный емкост- ный ток /СОл, А/км, можно приближенно определить по выражению: С 0 л ^ф. ном ’Ю , (П2.5) где Кл ~ 4,7 принимается равным для ЛЭП без тросов и 5,7 для ЛЭП с тросом. ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Определение емкости фаз на землю для электродвигателей 6 - 10 кВ Емкость фазы на землю для высоковольтных электродвигателей (ЭД) приближенно можно определить по формулам: для неявнополюсных синхронных и асинхронных ЭД с коротко- замкнутым ротором: , _ 0,0l87S„OM Ю 6 °ЭД (П3.1) где SH0M — номинальная мощность ЭД, МВ А; (/110М — номинальное напряжение ЭД, кВ; для остальных ЭД: 40^1мЮ~9 3(^НОМ д/^HDM (П3.2) где wfl0M номинальная частота вращения ЭД, об/мин. 98
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Технические данные трансформаторов тока нулевой последовательности Таблица П4.1. Параметры '1ТНП, используемые при расчетах защит от за- мыканий на землю Тип ТТНП w2TTHn 4м’Ом 2fH6> 0м ТЗР 18 1 — — ТЗ 25 10 — — ТЗЛ 25 10 — — ТЗЛМ 25 10 0,0015* 0,33 - 1,33* ТЗЛ-95 25 10 — — ТЗРЛ 30 3,5 0,0012* 0,9-4,5’ По данным [71]. 99
Список литературы I. Обердорфер Г. Замыкания на землю и борьба с ними. М.: Энергоиздат, 1932. 2. Внльгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М.: Гос- энергоиздат, 1959. 3. Лихачев Ф. А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компен- сацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971. 4. Режимы нейтрали электрических сетей / И. М. Сирота, С. Н. Кисленко, А. М. Ми- хайлов. Киев: Наукова Думка, 1985. 5. Дуговые замыкания на землю в кабельных сетях/Л. Е. Дударев, С. И. Запорожченко, Н. М. Лукьянцев // Электрические станции. 1971. № 8. С. 64 — 66. 6. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок / В. И. Шуц- кий, В. О. Жидков, Ю. Н. Ильин. М.: Энергоатомиздат, 1988. 7. Защита от замыканий на землю в компенсированных сетях 6 - 10 кВ/P. А. Вайнш- тейн, С. И. Головко, В. С. Григорьев и др. // Электрические станции. 1998. № 7. С. 26 - 30. 8. Шалыт Г. М. Повышение эффективности профилактики изоляции в кабельных се- тях //Труды ВНИИЭ. Выл. 8. М.: Госэнергоиздат, 1959. С. 77 - 97. 9. Правила устройства электроустановок/ Минэнерго СССР. -6-е изд. М.: Энергоато- миздат, 1986. 10. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. — 15-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1996. 11. Сирота И. М. О режимах нейтрали сетей 6 — 35 кВ // Электрические станции. 1988. №6. С. 69- 73. 12. Евдокунин Г. А., Гудилин С. В., Корепанов А. А. Выбор способа заземления нейтра- ли в сетях 6 - 10 кВ// Электричество. 1998. № 12. С. 8 - 22. 13. Шабад М. А. Обзор режимов заземления нейтрали и зашиты от замыканий на землю в сетях 6 - 35 кВ России // Энергетик. 1999. № 3. С. 11 - 13. 14. Лисицын Н. В. К обоснованию выбора режима заземления нейтрали // Энергетик. 2000. № 1. С. 22 - 25. 15. Долгополов А. Г. О режимах заземления нейтрали и защите от замыканий на землю в сетях 6 - 35 кВ // Энергетик. 2000. № 2. С. 24. 16. Глубокое ограничение перенапряжений при замыканиях на землю в сети 6 кВ собст- венных нужд ТЭС / В. Н. Подъячев, М. А. Плессер, Н. Н. Беляков и др. // Энерге- тик. 1999, №2. С. 20-21. 17. Лосев Э. А., Малеко В. А. Оценка разовых ущербов от внезапных нарушений элект- роснабжения в металлургических производствах по удельным показателям / Мето- дические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Вып. 18. Иркутск: СО АН СССР, Сиб. энерг. ин-т, 1980. С. 70 - 79. 18. Отраслевая методика определения экономического ущерба от внезапных перерывов электроснабжения химических производств. М.: Союзхимпромэнерго, 1976. 19. Методика определения ущерба при нарушении надежности электроснабжения пред- приятий ЦБП. М.: ВНИПИЭнергопром, 1980. 20. Старостин В. И., Мельников А. В., Разуиеев В. И, Определение ущерба от внезап- ных перерывов электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий // Про- мышленная энергетика. 1971. № 2. С. 37 — 42. 21. Сиротинский Л. И. Техника высоких напряжений. Волновые процессы и внутрен- ние перенапряжения в электрических системах. М.: Госэнергоиздат, 1959. 22. Шуми В. А. Влияние разряда емкости поврежденной фазы на переходный процесс при замыканиях на землювкабельныхсетяхЗ - 10 кВ//Электричество. 1983.№ 12. С. 4-9. 23. Обабков В. К.. Осипов Э. Р. Сравнительный анализ способов заземления нейтрали в задаче подавления дуговых замыканий на землю // Известия вузов. Горный жур- нал. 1988. №3. С. 94- 97. 24. Двадцать пять лет изучения энергосистем Франции / Обзор работ национального энергетического управления. Л.: Энергия, 1977. 25. Niederohmige Stempunkterdung (NOSPE) und kurzzeitige niederohmige Sternpunkter- dung. - Projektierungsvorschrift. Ordnungs - Nr. 3.2/11.84 (204) BG 87/1 1/85. 100
26. Ефимов Ю. К., Шилов В. И., Шишкина О. Г. Опыт эксплуатации сетей собствен- ных нужд блоков 500 МВт с заземлением нейтрали через резистор//Электрические станции. 1992. № 5. С. 68 - 71. 27. Neugebauer Н. Определение места кратковременного замыкания на землю при по- мощи электронного реле // Энергетическое обозрение. 1938. № 11. С. 10 — 20. 28. Вайнштейн Р. А., Головко С. И., Коломиец Н. В. Режимы нейтрали в электрических системах: Учебное пособие. Томск: Томск. Политехи, ин-т, 1981. 29. Попов И. Н., Лачугнн В. Ф., Соколова Г. В. Релейная зашита, основанная на конт- роле переходных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 30. Шуин В. А. Начальные фазовые соотношения электрических величин переходного процесса при замыканиях на землю в кабельных сетях 6 — 10 кВ // Электричество. 1991.№ 10. С. 58-61. 31. Дударев Л. Е., Зубков В. В. Комплексная защита от замыканий на землю // Элект- рические станции. 1981. № 7. С. 59 - 61. 32. Попов И. Н., Соколова Г. В., Махнев В. И. Импульсная зашита электрических се- тей от замыканий на землю типа ИЗС // Электрические станции. 1978. №4. С. 69 - 73. 33. Шуин В. А., Лебедев О. В. О защите от замыканий на землю в компенсированных кабельных сетях 6 - 10 кВ с использованием принципа сравнения амплитуд пере- ходных токов в присоединениях//Электричество. 1973. № 12. С. 12- 17. 34. Борухман В. А., Иоэльсон В. И. Центральное устройство селективной сигнализации замыканий на землю типа “Земля” / Наладочные и экспериментальные работы ОРГРЭС. Вып 35. М.: Энергия, 1968. С. 316 - 324. 35. Шуин В. А., Лебедев О. В. Параметры настройки устройств сигнализации замыка- ний на землю, сравнивающих токи в присоединениях // Электричество. 1980. № 2. С. 21 - 25. 36. Гусенков А. В. Разработка комплекса средств селективной сигнализации однофаз- ных замыканий на землю в кабельных сетях 6 - 10 кВ.Дис.... канд.техн. наук. Ива- ново, 1994. 37. Гоноровскнй И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио, 1977. 38. Сирота И. М. Защита от замыканий на землю в электрических сетях. Киев: Изд-во АН УССР, 1955. 39. Кискачи В. М. Защита от однофазных замыканий на землю ЗЗП-1 (описание, налад- ка, эксплуатация). М.: Энергия, 1972. 40. Электротехнический справочник / Под обш. ред. профессоров МЭИ. — 7-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1988. Т. 3. Кн. I: Производство и распределение электрической энергии. 41. Справочник по наладке вторичных цепей электростанций и подстанций / А. А. Ан- тюшин, А. Е. Гомберг, В. П. Караваев и др. Под ред Э. С. Мусаэляна. / 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1989. 42. Реле защиты / В. С. Алексеев, Г. П. Варганов, Б. И. Панфилов и др. М.: Энергия, 1976. 43. Нудельман Г. С., Шамнс М. А. Быстродействующее реле тока для защиты от замы- каний на землю // Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты низкого напряжения. 1981. Вып. 1 (92). С. 13. 44. Нудельман Г, С., Кочкин Н. А., Эверсков О. Л. Органы защит от замыканий на зем- лю Ц Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты низкого напряжения. 1982,№ I.C. 16- 18. 45. Пат. № 2009591. Способ определения направления мощности в защищаемой сети / В. В. Кискачи И Открытия. Изобретения. 1994. № 5. 46. Кискачи В. М. Селективность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник // Электричество. 1967, № 9. С. 24 — 29. 47. А.с. № 299908 СССР, МКИ Н02Н 3/16. Способ направленной зашиты от однофаз- ных замыканий на землю / В. М. Кискачи // Открытия. Изобретения. 1971. № 12. 48. Кискачи В. М., Назаров Ю. Г. Устройства сигнализации замыканий на землю в ка- бельных сетях 6—10 кВ. — В кн.: Сигнализация замыканий на землю в компенси- рованных сетях. Под ред. В. И. Иоэльсона. М.: Госэнергоиздат, 1962. С. 39 - 66. 49. Устройства сигнализации замыканий на землю в кабельных сетях 6- 10 кВ / В. М. Кискачи, С. Е. Сурцева, Н. М. Горшенина и др. // Электрические станции. 1972, №4. С. 69-72. 50. Гельфанд Я. С. Релейная защита электрических сетей. 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1987. 101
51. Сирота И. М. Сигнализация замыканий на землю, основанная на использовании второй гармоники. В кн. Сигнализация замыкания на землю в компенсированных сетях / Под ред. В. И. Иоэльсона. М.: Госэнергоиздат, 1962. С. 67 - 76. 52. Григорьев А. В. Зашита от однофазных замыканий на землю в компенсированных сетях, реагирующая на наложенный ток: Автореф.дис.... канд.техн. наук. М.: 1967. 53. Вайнштейн Р. А., Головко С. И., Коберннк Е. Д. Зашита от замыканий на землю об- мотки статора генераторов, работающих на сборные шины // Электрические стан- ции. 1981. № 10. С. 54 - 56. 54. Бухтояров В. Ф., Поляков В. Е., Зырянов А. Н. Централизованное устройство се- лективной сигнализации замыканий на землю типа СЗВИ // Электрические стан- ции. 1968. № 11. С. 78 - 80. 55. Борухман В. А. Об эксплуатации селективных зашит от замыканий на землю в сетях 6- 10 кВ и мероприятиях по их совершенствованию // Энергетик. 2000. № 1. С. 20 - 22. 56. Попов И. Н., Соколова Г. В. Устройство сигнализации замыканий на землю с импу- льсным реле направления мошности / В кн.: “Сигнализация замыканий на землю в компенсированных сетях”. М.: Госэнергоиздат, 1962. С. 12 — 39. 57. Попов И. Н., Соколова Г. В. Импульсные устройства зашиты от замыканий на зем- лю компенсированных сетей / В кн.: Новые устройства защиты и противоаварий- ной автоматики. Вып. 1. М.: Информстандартэлектро, 1968. С. 34 — 43. 58. Лачугин В. Ф. Направленная импульсная зашита от замыканий на землю//Энерге- тик. 1997. № 9. С. 21. 59- Устройство направленной волновой защиты от замыканий на землю воздушных и кабельных линий 6 - 35 кВ типа УЗС-01. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Казань: Энергосоюз, 1998. 60. Шуин В. А., Гусенков А. В., Дроздов А. И. Централизованное направленное устрой- ство сигнализации однофазных замыканий на земл юс использованием переходных процессов // Электрические станции. 1993. № 9. С. 53 — 57. 61. Устройства сигнализации и зашиты от однофазных замыканий на землю в компен- сированных кабельных сетях / В. А. Шуин, А. В. Гусенков, А. Ю. Мурзин и др. // Энергетическое строительство. 1993. № 10. С. 35 - 39. 62. Дударев Л, Е., Зубков В. В. Устройство универсальной комплексной защиты от за- мыканий на землю для сетей 6 — 35 кВ // Промышленная энергетика. 1982. № 4. С. 36 - 38. 63. Шуин В. А., Гусенков А. В,, Мурзин А. Ю, Устройство типа “Спектр” для селектив- ной защиты от однофазных замыканий на землю в кабельных сетях 6 - 10 кВ. Ива- ново, 1997. (Тр. ИГЭУ. Вып. 2). С. 200 - 203. 64. Попов И. Н. О принципах выполнения защиты от замыканий на землю, основанной на использовании переходных процессов // Электричество. 1962. № 2. С. 14 — 19. 65. А.с. 1078526 СССР, МКИ Н02Н 3/16. Способ направленной импульсной зашиты от однофазного замыкания на землю в сетях с компенсированной и изолированной нейтралью / В. А. Шуин, О. В. Лебедев, А. М. Чухин // Открытия. Изобретения. 1984. №9. 66. Лихачев Ф. А. Выбор, установка и эксплуатация дугогасящих аппаратов. М.: Гос- энергоиздат, 1955. 67. Справочник по электроустановкам высокого напряжения / Под ред. И. М. Баумш- тейна и М. В. Хомякова. М.: Энергия, 1974. 68. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 12. Токовая защита нулевой после- довательности от замыканий на землю линий 110 - 500 кВ. Расчеты. М.: Энергия 1980. 69. Корогодский В. И., Кужеков С. Л., Паперно Л. Б. Релейная зашита электродвигате- лей напряжением выше I кВ. М.: Энергоатомиздат, 1987. 70. Руководящие указания по релейной защите. Вып. 11. Расчеты токов короткого замы- кания для релейной защиты и системной автоматики в сетях ПО- 750 кВ. М.: Энергия, 1979. 71. Сироте И. М. Трансформаторы и фильтры напряжения и тока нулевой последовате- льности. Киев: Наукова Думка, 1983. 102
Содержание Предисловие..........................................................3 ГЛАВА ПЕРВАЯ. Режимы заземления нейтрали электрических сетей 6 — 10 кВ......................................5 1.1. Краткие сведения об однофазных замыканиях на землю...........5 1.2. Режимы заземления нейтрали и способ действия зашиты от замыканий на землю............................................7 1.3. Характеристики основных режимов заземления нейтрали.........12 1.4. Фиксация кратковременных самоустраняющихся пробоев изоляции как средство повышения эффективности режима заземления нейтрали......................................19 ГЛАВА ВТОРАЯ. Электрические величины, используемые для действия зашит от замыканий на землю..........................24 2.1. Токи и напряжение нулевой последовательности в установившемся режиме замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью .... 24 2.2. Токи и напряжение нулевой последовательности в установившемся режиме замыкания на землю в сети с заземлением нейтрали через резистор..................................................31 2.3. Токи и напряжение нулевой последовательности в установившемся режиме замыкания на землю в компенсированной сети...............33 2.4. Токи и напряжение нулевой последовательности в переходных режимах замыкания на землю.........................36 ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Принципы выполнения устройств зашиты и сигнализации замыканий на землю.................................50 3.1. Общие требования к защите от замыканий на землю.............50 3.2. Защиты от однофазных замыканий на землю, основанные на использовании электрических величин промышленной частоты ..51 3.3. Защиты от однофазных замыканий на землю, основанные на использовании высших гармоник................................61 3.4. Защиты от однофазных замыканий на землю, основанные на использовании “наложенных” токов.............................66 3.5. Зашиты от однофазных замыканий на землю, основанные на использовании электрических величин переходного процесса. ... 68 ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Расчеты защит от замыканий на землю................79 4.1. Выбор параметров срабатывания обшей неселективной защиты напряжения нулевой последовательности....................79 4.2. Выбор параметров срабатывания токовой зашиты нулевой последовательности......................................84 4.3. Выбор параметров срабатывания направленной зашиты с релетипаЗЗП-1М или ЗЗН........................................94 4.4. Выбор параметров срабатывания токовой защиты абсолютного замера высших гармоник с устройством типа УСЗ-2/2 . . 94 Приложение 1. Емкости фаз на землю и емкостные токи замыкания на землю кабельных линий 6 — 10 кВ......................96 Приложение 2. Определение емкостей фаз относительно земли для воздушных линий............................................. 97 Приложение 3. Определение емкости фаз на землю для электродвигателей 6—10 кВ.....................................98 Приложение 4. Технические данные трансформаторов тока нулевой последовательности........................................99 Список литературы..................................................100 103
Библиотечка электротехника Приложение к производственно-массовому журналу "Энергетик ” ШУИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ ГУСЕНКОВ АЛЕКСЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ Защиты от замыкании на землю в электрических сетях 6 -10 кВ АДРЕС РЕДАКЦИИ: 109280, Москва, ул. Автозаводская, 14/23 Телефоны: (095) 275-19-06, тел. 275-00-23 доб. 22-47; факс: 234-74-21 Редакторы: Л. Л. Жданова, Н. В. Ольшанская Худож.-техн. редактор Т. Ю. Андреева Корректор 3. Б. Драновская Сдановнабор 19.10.2001 г. Подписано в печать 27.11.2001 г. Формат 60х84]/[б. Печать офсетная. Печ. л. 6,5. Тираж 1120 экз. Заказ БЭТ/11 (35)-2ОО1 Макет выполнен издательством “Фолиум”: 127238, Москва, Дмитровское ш., 58. Отпечатано типографией издательства “Фолиум”: 127238, Москва, Дмитровское ш., 58.
Вниманию специалистов В редакции журнала “Энергетик” можно приобрести следующие вышедшие в свет выпуски "Бпблпотечкп электротехника": Алексеев Б. А., Борозинец Б. В. Определение местных перегревов в турбогенераторах по продуктам пиролиза в охлаждающем газе. Бажанов С. А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств. Удрис А. П. Панель релейной защиты типа ЭПЗ-1636 для ВЛ 110- 220 кВ (часть 1 — устройство защиты, часть 2 — обслуживание защиты). Торопцев Н. Д. Трехфазный асинхронный двигатель в схеме од- нофазного включения с конденсатором. Курбангалиев У. К. Самозапуск двигателей собственных нужд электростанций. Овчинников В. В. Автоматическое повторное включение. Шабад М. А. Защита генераторов малой и средней мощности. Иноземцев Е. К. Ремонт высоковольтных электродвигателей электростанций (части 1 и 2). Шкарин Ю. П. Высокочастотные тракты каналов связи по линиям электропередачи (части 1 и 2). Овчаренко Н. И. Аналоговые элементы микропроцессорных ком- плексов релейной защиты и автоматики. Безчастнов Г. А. и др. Контроль состояния изоляции электриче- ских машин в эксплуатации. Адрес редакции журнала “Энергетик”: 109280, Москва, ул. Автозаводская, д. 14/23. Телефон (095) 275-19-06 E-mail: pni@mail.magelan.ru
OS авторах Владимир Александрович Шуин —доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой “Автоматическое управление электроз! ергстическими процессами" Ивановского государе темного энергетического университета Автор ряда печатных работ в облас- ти защит си замыканий на землю электрических сетей 3-35 кВ, мо- делирования объектов электро- энергетики и устройств автомати- ческою управления ими. Алексей Васильевич Гусенков — кандидат техн. наук, доцент кафедры "Автоматическое управление электроэнергетическими процессами" Ивановского государственного энергетического университета. Автор статей по проблемам защит от замыканий на землю, опублико- ванных в журналах “Энергетик". “Электрические станции', “Энерге- тическое строительство”, “Изве- стия вузов Электромеханика". Правильный выбор режима заземления нейтрали и принципов выполнения защиты и селективной сигнализации однофазных замыканий на землю электрических сетей 6 - 10 кВ обеспечивает повышение надежности электроснабжения потребителей.