Фильтры симметричных составляющих тока и напряжения. Присоединение реле непосредственно к ТТ и ТН не всегда обеспечивает необходимую чувствительность релейной защиты при несимметричных КЗ. Указанный недостаток релейной защиты устраняют применением фильтров, настраиваемых на симметричные составляющие токов и напряжений прямой, обратной или нулевой последовательности, которые содержатся в любой несимметричной трехфазной системе.
Фильтром симметричных составляющих тока (напряжения) называется электрическая схема (рис. 152), присоединенная своими входными зажимами к вторичным зажимам ТТ (ТН), а двумя выходными зажимами — к исполнительному органу (реле); в реле подается однофазное напряжение или однофазный ток, пропорциональные одной или нескольким симметричным составляющим токов (напряжений), подведенным к входным зажимам фильтра, а следовательно, и составляющим токов (напряжений) первичной сети.
Рис. 152. Схема присоединения фильтров тока и напряжения
Наиболее распространенными являются фильтры, ток (напряжение) между выходными зажимами которых пропорционален симметричным составляющим только одной последовательности токов (напряжений), подводимых к входным зажимам фильтра. К таким фильтрам относятся, например, фильтры тока и напряжения нулевой последовательности или фильтры тока и напряжения обратной последовательности. Фильтры прямой последовательности используются реже. Схема любого фильтра может состоять из трансформаторов, активных, индуктивных и емкостных сопротивлений, которые соответствующим образом подобраны и отрегулированы для выделения на выходе симметричных составляющих определенной последовательности.
Реле, подключаемое к выходным зажимам фильтра, будет иметь наибольшую чувствительность только при вполне определенных параметрах его обмотки. Фильтры обычно изготовляют комплектно с реле, вследствие чего такие устройства получили название фильтр-реле.
Рис. 153. Фильтр токов нулевой последовательности (а) и векторные диаграммы токов прямой (б), обратной (в) и нулевой (г) последовательностей
Фильтр токов нулевой последовательности образуется при соединении вторичных обмоток ТТ в «звезду» G нулевым проводом. Как видно из рис. 153, а, симметричных составляющих токов прямой (рис. 153, б) и обратной (рис. 153, в) последовательностей в нулевом проводе не бывает, так как сумма этих токов равна нулю. Токи же нулевой последовательности (рис. 153,г), совпадающие по фазе, протекают по нулевому проводу НП и в сумме дают утроенное значение.
Следовательно, нулевой провод в такой схеме является фильтром токов нулевой последовательности. Реле Р, включенное в нулевой провод, будет реагировать только на токи нулевой последовательности. Фильтр токов нулевой последовательности образуется также при включении реле в нулевой провод после реле, соединенных в полную «звезду» и реагирующих на фазные изменения.
Фильтр напряжения нулевой последовательности образуется дополнительными обмотками ТН, соединенными в разомкнутый «треугольник» (рис. 154, а и г). При нормальной работе сети, в которую включен ТН, векторная сумма фазных напряжений трех фаз равна нулю. В действительных условиях обычно на выходе разомкнутого «треугольника» имеется ничтожно малое напряжение небаланса — (2 + 3)% от U2 ном, которое создается всегда имеющейся незначительной несимметрией вторичных фазных напряжений и небольшим отклонением их кривой от синусоиды.
Замыкание одной фазы сети или сборных шин на землю сопровождается протеканием токов 3I0 (см. рис. 154, а и а), вследствие чего появляется напряжение нулевой последовательности на зажимах разомкнутого «треугольника».
Напряжение 3U0, подведенное к зажимам реле РКИ, вызывает срабатывание этого реле, если 3U0 > Uу.ср (Uу.ср — напряжение уставки срабатывания реле). Следует иметь в виду, что величина напряжения 3U0 в сети с изолированной нейтралью значительно выше, чем в сети с заземленной нейтралью.
В сети с заземленной нейтралью (см. рис. 154, а) замыкание одной фазы на землю представляет однофазное КЗ. При однофазном КЗ какой-либо фазы (например, фазы А) первичная обмотка ТН этой фазы закорочена. Поэтому вектор U первичного напряжения (рис. 154,b) на диаграмме отсутствует. Вектор 3U0 является суммой векторов вторичного напряжения Uьд и Uд, совпадающих по фазе с векторами первичного напряжения.
Рис. 154. Фильтры напряжений нулевой последовательности (а и г) и векторные диаграммы для нормального режима (б, д) и при замыкании одной фаpы на землю (в, в)
Наибольшая величина 3U0 равна фазному напряжению дополнительной обмотки 3U0 = Ubд= Uφ, так как вектор 3U0 делит угол 120° пополам и образует в построенном параллелограмме два равносторонних треугольника.
В сети с изолированной нейтралью при замыкании одной фазы на землю, например фазы A (см. риc. 154, г), напряжение этой фазы сохраняется, но по отношению к земле становится равным нулю. Изменяются напряжения неповрежденных фаз В и С относительно земли с фазного до линейного (Ub =√З U в = Uл; Uс = √3 Uc =U), которые подаются на первичные обмотки фаз В и С ТН, поскольку его нейтраль заземлена. Напряжения фаз В и С дополнительных обмоток также увеличатся в √З раз по сравнению с нормальным режимом. Вектор 3U, представляющий сумму векторов напряжений и делит угол 60° пополам и образует два равнобедренных треугольника c углами при основании в 30°.
Сети с большим током замыкания на землю.
При рассмотрении КЗ в электрических системах указывалось, что из всех возможных случаев повреждений, принятых за 100 %, примерно 65% составляют однофазные. Поэтому защиты от замыканий одной фазы на землю являются очень важными в работе электроустановок. Защита линий от замыкания на землю одной фазы осуществляется в зависимости от величины тока замыкания на землю, напряжения, конфигурации сети и способа ее выполнения. Однофазное КЗ относится к несимметричным, для него характерно возникновение в сети токов и напряжений нулевой последовательности. Поэтому от однофазных КЗ применяют фильтровые защиты и их основные реле подключают к фильтрам нулевой последовательности.
Схема ненаправленной МТЗ, нулевой последовательности для радиальной сети с нейтралью, заземленной у одного трансформатора, состоит из пускового реле РТ0 (рис. 155, а), включенного на фильтр тока нулевой последовательности, реле времени РВ0 и указательного реле РУ0. В качестве фильтра используется нулевой провод МТЗ, выполненной на токовых реле РТ, соединенных в полную «звезду». При трехфазных КЗ защита нулевой последовательности не действует, так как сумма первичных токов и составляющие отсутствуют. Защита не действует также при симметричных качаниях и нагрузке вследствие баланса первичных токов, при котором 3I0 =0. При однофазном и двухфазном КЗ в линии на землю в нулевом проводе защиты появляется ток 3I0, под действием которого защита срабатывает. Не реагируя на токи нагрузки, защита нулевой последовательности обладает высокой чувствительностью. Выдержка времени МТЗ нулевой последовательности в радиальной сети производится по ступенчатому принципу с увеличением времени в сторону расположения трансформатора с заземленной нейтралью.
Ток срабатывания защиты МТЗ нулевой последовательности определяется из двух условий: надежного действия защиты при КЗ в конце следующего участка по направлению от трансформатора с заземленной нейтралью; отстройки от наибольших токов небаланса:
(138)
где к = 1,3-1,5. Второе условие является определяющим. Наибольший ток небаланса рассчитывают или для нормального режима или для режима КЗ в зависимости от выдержки времени защиты. Если выдержка времени МТЗ нулевой последовательности больше времени действия МТЗ от междуфазных КЗ, установленной на следующем по направлению от трансформатора участке, то МТЗ нулевой последовательности отстраивают от небалансов в нормальном режиме, так как междуфазные повреждения отключаются быстрее, чем может подействовать МТЗ нулевой последовательности. Величина тока небаланса определяется экспериментальным измерением, и его значение во вторичных цепях ТТ находится в пределах 0,01—0,2 А. Поэтому ток уставки срабатывания пускового реле РТ0 можно считать равным 0,5—1 А.
Рис. 155. Ненаправленная (а) и направленная (б) МТЗ нулевой последовательности для сетей с большим током замыкания на землю
Если выдержка времени МТЗ нулевой последовательности меньше выдержки времени МТЗ от междуфазных КЗ на следующем участке, то защиту нужно отстраивать от токов небаланса при трехфазных КЗ в начале следующего участка, т. е.
где 0,1 — коэффициент учитывающий 10%-ную погрешность ТТ; кодн — коэффициент однотипности, учитывающий идентичность характеристик ТТ, равный 0,5—1; кн = 1,3 -:-1,5; Iк.мах — наибольшее значение тока трехфазного КЗ в начале следующего по направлению от трансформатора участка.
Коэффициент чувствительности защиты
где 3I0min — наименьший ток нулевой последовательности при однофазном или двухфазном КЗ на землю в конце второго участка.
Направленная МТЗ нулевой последовательности применяется в сетях, имеющих трансформаторы с заземленными нейтралями на противоположных концах рассматриваемых участков. Избирательное действие направленной МТЗ нулевой последовательности может быть обеспечено только при наличии органа направления мощности. Защита состоит из пускового токового реле РТ0 (рис. 155,б) и реле направления мощности РМ0, включенных в нулевой провод на ток 3I0; реле времени РВ0, создающего выдержку времени для избирательного действия защиты. Обмотку напряжения реле мощности присоединяют к ТН на напряжение нулевой последовательности. Подбор выдержек времени направленной МТЗ нулевой последовательности производят по встречно-ступенчатому принципу, как для такой же защиты от междуфазных КЗ. Ток срабатывания защиты определяют по тем же условиям, что и для ненаправленной МТЗ нулевой последовательности.
Сети с малым током замыкания на землю. При нормальном режиме работы сети под действием фазных напряжений через емкости фаз относительно земли проходят емкостные токи, сумма которых равна нулю, и ток нулевой последовательности отсутствует. При металлическом замыкании на землю одной фазы, например фазы А, ее напряжение относительно земли становится равным нулю (Ua = 0), а напряжение неповрежденных фаз В и С относительно земли повышается до междуфазного.
В точке замыкания на землю К (см. рис. 156, а) проходят токи, которые замыкаются через емкости неповрежденных фаз сети. Поскольку напряжение поврежденной фазы относительно земли равно нулю, то и емкостной ток этой фазы тоже равен нулю. Токи (см. рис. 156, б) опережают на 90° напряжения. Ток в месте замыкания на землю равен геометрической сумме емкостных токов фаз и противоположен им по фазе. Ток зависит от напряжения и емкости сети и может быть подсчитан приближенно по формуле (27).
Вследствие нарушения симметрии и баланса емкостных токов и фазных напряжений появляются составляющие напряжения и тока нулевой последовательности.
Из рис. 156,б видно, что напряжение нулевой последовательности равно тройному значению напряжения нормального режима поврежденной фазы и противоположно ему по знаку. Ток замыкания на землю и ток нулевой последовательности имеет следующие выражения через фазные напряжения. Таким образом, токи совпадают по фазе и отстают от вектора напряжения нулевой последовательности на 90° (см. рис. 156, б).
В сетях с изолированной нейтралью токи замыкания на землю не превышают 30—40 А при напряжении 6 и 10 кВ и 5—10 А при напряжении 35 кВ. Вследствие незначительной величины тока замыкания на землю и отсутствия нарушения режима работы приемников энергии защита от данного вида повреждения выполняется в основном с действием на сигнал и в особых случаях с действием на отключение, но более чувствительной по сравнению с защитой от однофазных КЗ в сети с Заземленной нейтралью. Защиты от однофазных замыканий на землю должны приходить в действие при токе не более 5 А.
Предусматривают два вида сигнализации при замыкании на землю: общую на всю электроустановку и индивидуальную по каждому присоединению. Общую сигнализацию выполняют с помощью реле РКИ (см. рис. 154). Для сигнализации, указывающей поврежденный участок линии, используются Защиты, реагирующие на ток или мощность нулевой последовательности. Эти защиты должны обладать высокой чувствительностью вследствие малой величины тока замыкания на землю, а поэтому выполнение их вызывает трудности. Например, защиты, подключенные к ТТ, соединенным в «звезду» по схеме фильтра токов нулевой последовательности, не обеспечивают необходимой чувствительности из-за большой разницы между рабочим током и током замыкания на землю даже при наибольшем значении последнего. Это объясняется тем, что коэффициент трансформации ТТ, выбранный по наибольшему рабочему току линии, оказывается слишком большим для токов нулевой последовательности.
Рис. 156. Фазы токов и напряжений (б) при однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью (а)
Рис. 157. Защита линий от однофазных замыканий в сети с изолированной нейтралью (а) с помощью ТТНП (б, в)
Схема с применением трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП) обеспечивает значительное повышение чувствительности защиты. В ней реле РТ0 (рис. 157, а) питается от ТТНП, особенность конструкции которого позволяет обеспечить действие защиты при малых токах замыкания на землю — порядка 3—5 А, а при сочетании ТТНП с высокочувствительным реле — даже при I3 = 1,5 -:-2 А. ТТНП состоит из стального магнитопровода (рис. 157, б), имеющего форму кольца с намотанной на нем вторичной обмоткой 2. Первичной обмоткой являются три фазы А, В, С кабеля 3, токи которых создают в магнитопроводе потоки Фа, Фв и Фс, замыкающиеся по магнитопроводу. Результирующий магнитный поток первичной обмотки Фр = Фл+Фв+Фс. При нормальном режиме, трехфазном и двухфазном КЗ Фр = 0. Когда возникает замыкание какой-либо фазы на землю, появляются токи нулевой последовательности, создающие Фр > 0, под действием которого наводится во вторичной обмотке э.д.с. Ер. По реле РТ проходит ток, вызывающий ее срабатывание.
Токовую защиту устанавливают в начале каждой линии. По действию защиты на питающей подстанции определяют радиальное направление, на котором произошло замыкание на землю.
При замыкании на землю на другой линии вблизи кабеля, при производстве сварочных работ и т. п. по оболочке и броне кабеля протекает ток Iбр (рис. 157, в). Этот ток, создавая магнитный поток в магнитопроводе 1 ТТНП, наводит э. д, с. в обмотке 2, что может вызвать ложное срабатывание защиты. Поэтому воронку 6 заземляют проводником 5, пропущенным через зазор 4, имеющийся между кабелем 3 и магнитопроводом 1. Магнитные потоки, создаваемые токами, протекающими по броне и заземляющему проводнику, взаимно уничтожаются. Надежная изоляция должна быть между сердечником ТТНП и броней кабеля. Для защиты воздушных линий ТТНП устанавливают на кабельную вставку.
Распределение токов нулевой последовательности дает возможность уяснить условия работы защиты при однофазных замыканиях. Пусть на линии Л3 (рис. 158) произошло замыкание одной фазы на землю — K. В месте повреждения возникает напряжение нулевой последовательности, под действием которого проходят токи нулевой последовательности, замыкающиеся через емкости неповрежденных фаз всех линий. Емкостной ток нулевой последовательности проходит по всем поврежденным и неповрежденным линиям сети, отличаясь величиной и направлением. Емкостные токи нулевой последовательности неповрежденных линий Iсппл, проходящие через ТТНП защиты, всегда направлены к шинам и их величины будут: Iсппл= 3Iонпл= 3 U0ωСнпл. Например, для линии Л1 Iснпл1=3 Iол1.
Емкостной ток нулевой последовательности, проходящий через ТТНП поврежденной линии (например, Л3) равен сумме токов всех линий (емкостному току нулевой последовательности всей сети) за вычетом тока, замыкающегося через емкости неповрежденных фаз поврежденной линии:
Рис. 158. Распределение токов нулевой последовательности при однофазном замыкании в сети
где Сс — емкость всей электрически связанной сети; Спл — емкость фазы поврежденной линии. Ток Iсил направлен от шин к месту замыкания, он противоположен токам в неповрежденных фазах линии.
Ток срабатывания токовой защиты Iс.3 определяют из условия отстройки от емкостного тока, проходящего по защищаемой линии (например Л1), у которой 3UфωCл1 =3 UфωСл1 при замыканиях на землю на других присоединениях (например, Л3), и от броска тока при наличии перемежающейся дуги, учитываемого коэффициентом кб:
(140)
где Сл — емкость фазы защищаемой линии; к — коэффициент надежности, равный 1,1 —1,2; кб — коэффициент, учитывающий бросок тока от перемежающейся дуги в месте замыкания фазы на землю; кв =4-:-5 для защит без выдержки времени и кб = 2-:-3 при наличии выдержки времени.
Коэффициент чувствительности защиты представляет отношение тока, протекающего через ТТНП при повреждении линии, к току срабатывания защиты:
Для кабельных линий 1,25, для воздушных 1,5.
