Если дугогасящая катушка не устранила замыкания на землю, есть два пути для ликвидации устойчивого замыкания: применение автоматического релейного устройства с действием на отключение выключателя (или выключателей), ближайшего к месту замыкания, или продолжение эксплуатации системы с замыканием на землю, определение его места и, наконец, отключение поврежденной линии в некоторый удобный для этого момент времени.
Если конфигурация системы проста и временный перерыв в работе допустим, может быть применен наиболее грубый метод обнаружения места замыкания, состоящий в отделении частей системы в автоматически задаваемом или надлежащим образом выбранном порядке. За этим следует отключение поврежденного участка.
Среди сторонников резонансного заземления нейтрали меньшинство удовлетворяется свойствами катушки гасить дугу перемежающихся замыканий на землю и предпочитает быстрое отключение участка с устойчивым замыканием. Другие считают, что преимущества резонансного заземления распространяются и на устойчивые замыкания, поскольку в связи с уменьшением тока замыкание происходит незаметно и для источника и для потребителя. Эти две точки зрения обычно являются результатом местных традиций, причем определенную роль играет оценка вероятности повреждения слабых мест изоляции здоровых фаз. Опыт эксплуатации в основном подтверждает правильность второй точки зрения, которая разрешает некоторое время работать с заземленной фазой и не прерывать немедленно электроснабжения потребителей, питающихся по поврежденной линии. Такая практика оправдывается также в связи с трудностями точного обнаружения места повреждения в сетях с резонансным заземлением нейтрали. Эти трудности, подробно рассмотренные в последующих разделах, хорошо известны, и обычный способ их устранения заключается в искусственном увеличении активной составляющей остаточного тока до величины, необходимой для точной индикации места повреждения. Очевидно, что это требование вступает в противоречие с необходимостью надежного гашения дуги и приводит к усложнению оборудования. Однако связанное с такой схемой ограничение смещения нейтрали в нормальном режиме является благоприятным обстоятельством. Некоторые из таких схем будут рассмотрены в § 14.3.6.
В сельских сетях, где питание осуществляется в большинстве случаев одиночными линиями, редко применяют автоматическое отключение поврежденного участка, и релейные схемы работают только на сигнал. В сетях высокого напряжения, где резервное питание применяется часто, есть возможность применить автоматическое отключение.
В очень больших кабельных системах остаточный ток замыкания на землю сравнительно велик и может в конце концов разрушить междуфазную изоляцию. Опыт одной из систем 30 кВ (Беваг, Берлин) с остаточным током более 100 а показал, что замыкание на землю в кабелях с поясной изоляцией может быть допущено в течение многих секунд или даже минут, в то время как кабель типа Н мог выдержать те же условия по меньшей мере час. В таких системах целесообразно применять автоматическое отключение замыкания на землю.
Как упоминалось выше, были предложены методы автоматического выделения поврежденной секции [Л. 54], которые успешно применялись. Иногда связь сложных систем в случае замыкания на землю автоматически обрывается и, таким образом, облегчается локализация повреждения в одной из частей системы.
Распределение активной составляющей в остаточном токе
Специалисты по релейной защите в первую очередь интересуются распределением добавочного тока, обусловленного замыканием. Анализ этой проблемы, приведенный в § 4 гл. 2 и § 2 и 7 гл. 5, дает ответ для случая резонансно заземленной системы. Замыкание на землю приводит к появлению тока нулевой последовательности, который обычно и используется для определения места замыкания. Для того чтобы выделить ток нулевой последовательности, вторичные обмотки трансформаторов тока всех фаз соединяются параллельно. Иные способы рассматриваются в § 14.3.4.
Однако в § 2 гл. 5 было показано, что резонансное заземление лишает место замыкания характерного свойства быть каналом, через который протекает составляющая нулевой последовательности. Емкостный ток замыкания компенсируется индуктивным током, и в отличие от других методов заземления результирующее распределение, по крайней мере в случае точной настройки, не зависит от места замыкания на землю.
Большая часть тока нулевой последовательности циркулирует в системе между емкостью системы и дугогасящей катушкой и не может быть использована для обнаружения места замыкания. Небольшая часть, которая может появиться в остаточном токе, зависит от точности настройки, и поэтому невозможно предопределить се величину, знак и распределение. Ее наличие даже затрудняет использование других составляющих тока замыкания.
Эти соображения относятся к реактивной составляющей остаточного тока, но не к его активной составляющей. Забегая вперед, можно сказать, что для этой составляющей сохраняются свойства некомпенсированной системы и место замыкания оказывает влияние на распределение тока. Кроме того, равномерно распределенная активная составляющая, связанная с емкостным током замыкания, сопровождается местным сосредоточением потерь во всех местах, где установлены дугогасящие катушки (см. § 7 гл. 5).
Используя активную составляющую остаточного тока для создания релейной схемы, можно устранить неопределенность в определении места замыкания, которая обусловливается применением дугогасящих катушек.
Рис. 265. Пример распределения тока нулевой последовательности в системе с резонансным заземлением при точной настройке.
а — реактивная составляющая; б — активная составляющая.
Поясним это на конкретном примере. На рис. 265,а представлено распределение реактивной составляющей тока замыкания на землю в точно настроенной системе с емкостным током замыкания на землю, равным 25 а. Фазный ток нулевой последовательности (реактивная составляющая), измеренный на четырех переключательных пунктах, колеблется между
а и не зависит от места замыкания. На рис. 265,б представлено распределение активной составляющей, которая принята равной 6% емкостного тока замыкания на землю, включая 2%, обусловленные дугогасящими катушками. Равномерно распределенные потери, связанные с емкостью каждой линии, обозначены стрелками, поставленными у центров соответствующих отрезков. Для данного положения замыкания на землю активная составляющая тока нулевой последовательности, измеренная на переключательных пунктах, колеблется между
а. Если мы рассматриваем только аварийный участок и два прилегающих к нему, то полученных данных достаточно для того, чтобы составить себе ясную картину повреждения. Общий ток, текущий через место замыкания, равен 1,5 а и растекается по проводам в обе стороны от места повреждения. Участок, содержащий замыкание на землю, является единственным, в котором токи на обоих концах направлены к шинам.
Если установлены реле направления, которые срабатывают, когда поток мощности имеет определенное направление, то в рассматриваемом случае будут работать реле, обозначенные на рис. 266 черными точками.
Рис. 266. Показания реле защиты от замыканий на землю в системе с резонансным заземлением при повреждении в точке А.
В поврежденном участке реле срабатывают на обоих его концах.
Ток в реле, установленных на переключательных пунктах, удаленных от места замыкания, может оказаться меньше тока срабатывания. Хотя это несколько затрудняет расшифровку показаний реле, но не может привести к неправильным выводам.
Направленное действие реле обусловлено тем, что они действуют от ваттметрового момента, обусловленного током небаланса трех фаз (тройной фазный ток нулевой последовательности) и напряжением, равным смещению нейтрали.
Числовые примеры иллюстрируют также тот факт, что активные составляющие тока часто составляют лишь часть текущего и той же точке суммарного тока нулевой последовательности, который, в свою очередь, может быть только частью номинального первичного тока трансформаторов тока. Связанные с этим последствия будут рассмотрены в § 14.3.4.
Ваттметровые реле земляных замыканий. Особенности устройства. Уставки времени
В системах с резонансным заземлением нейтрали применяются два основных типа ватт-метровых реле. Реле одною типа основаны на индукционном диске Феррариса, в частности на модифицированной подвижной системе счетчика, реле другого типа — на динамометрическом принципе. Примеры обоих типов реле приведены на рис. 267—269. На рис. 267 показано реле с индукционным диском, выпускаемое фирмой AEG. Его токовая
Рис. 269— пример реле динамометрического типа. В случае двойного замыкания на землю составляющая нулевой последовательности достигает величины одного порядка с током короткого замыкания, в особенности на отрезке между двумя замыканиями.
По этой причине токовая обмотка реле от замыканий на землю должна выдержать такой сверхток в течение времени, определяемого устройством защиты от сверхтока.
Описанные типы реле для защиты от замыканий на землю могут быть применены.
система рассчитана на 2 а, обмотка напряжения потребляет 4 ва. Минимальная мощность срабатывания составляет 0,1 (100 в 1 ма). Рис. 268,а и б показывают магнитную цепь и подвижную систему реле.
Ротор D (рис. 268,б) движется в воздушном зазоре сердечника (рис. 268,а), состоящего из внешней U-образной части, возбуждаемой напряжением нейтрали, и внутреннего сердечника крестообразной формы, на котором помещена токовая обмотка. Вспомогательный сердечник с полюсами, которые расщеплены медными кольцами, действует за вспомогательный ротор D1, который создает добавочный вращающий момент, увеличивая, таким образом, давление на контакты W и предотвращая прыгание.
Фазосдвигающая обмотка F замкнута за регулировочное сопротивление R (фаза изменяется на ±5°). Прибор рассчитан на величину тока 1—18 ма при 110 в на обмотке напряжения. Диапазон токов может быть расширен до 0,5 ма. в одну сторону и до 54 ма— в другую путем регулирования контрольной пружины, которая также обеспечивает caвозврат подвижной системы. Реле может длительно выдержать ток 0,5 а.
Рис. 269. Реле динамометрического типа для защиты от замыканий на землю в резонансно-заземленных системах.
Номинальные данные: 1/0, 5 а, 100/110 в, 50 гц; чувствительность 0,3/0,15 вт при 10 а; потребление: токовая обмотка— 2,2 ва, обмотка напряжения—16 ва.
К обычному указательному реле может быть добавлено реле времени или реле может иметь собственную выдержку времени, зависящую от амплитуды активной составляющей тока.
Применение первой схемы связано с известной трудностью выбора выдержек времени в схемах средней сложности. Дополнительная трудность возникает в связи с неопределенностью положения точки ввода тока в систему, которая совпадает с местом замыкания на землю, как это было показано в § 14.3.1. Эта трудность, по крайней мере в схемах простой конфигурации, может быть преодолена путем соответствующего выбора выдержек времени и ограничения чувствительности некоторых реле. Когда поврежденный участок системы отключается с одного из концов, распределение тока в системе изменяется и селективное отключение второго выключателя облегчается. Поясним это на конкретном примере сети, показанной на рис. 269. Для этой сети селективное отключение может быть получено с помощью выдержек времени, показанных на рис. 270,а. Первым отключается выключатель на станции с, который имеет выдержку времени 4 сек. После того как кольцо разрывается в пункте Е, распределение активной составляющей тока становится таким, как показано на рис. 270,б. Должно пройти еще 3 сек, прежде чем поврежденная линия отключится на станции В. Следует иметь в виду, что реле в точке С, имеющее уставку 4 сек, будет стремиться сработать одновременно с первым реле (в точке Е) и таким образом будет препятствовать селективному отключению участка в пункте В. Для предотвращения неселективного действия ток трогания реле в точке С должен быть достаточно большим, например 0,4 а. В этом случае оно начнет работать только после размыкания кольца, и поэтому до его срабатывания пройдет 8 сек от момента замыкания.
Однако на практике обычно встречаются более сложные схемы, для которых на основании изложенных принципов осуществить селективное отключение трудно.
В другом упомянутом выше устройстве используются реле с собственной выдержкой времени, обратно пропорциональной амплитуде активной составляющей тока, протекающего через данное реле.
Рис. 270. Уставки времени реле защиты от замыканий на землю в системе, показанной на рис. 265.
а — кольцо замкнуто; б — кольцо разомкнуто отключением первого выключателя.
Если система состоит из отдельных линий с некоторым количеством распределенных вдоль них станций, то токи, действующие на реле на двух соседних станциях, различаются не больше, чем на величину потерь на участке линии между станциями. Лучшей избирательности можно ожидать в сложных системах с большим количеством линий, присоединенных к шинам каждой станции. Даже система такой конфигурации, как на рис. 265, недостаточно благоприятна для применения второй схемы, как это следует из рис. 271, на котором показано распределение активной составляющей тока.
На отрезке линии DE, примыкающей к аварийному участку, отношение токов в реле на станциях D и Е недостаточно отличается от единицы. Это связано с тем, что через этот отрезок значительная часть тока протекает в остальную часть системы. Селективное действие этой схемы легче обеспечивается в сети, где линии связи между станциями более протяженны, чем в данном примере.
Наличие скачков в распределении активной составляющей тока является весьма благоприятным фактором для получения хорошей избирательности. Источниками этих скачков являются длинные радиальные линии, отходящие от станций, и еще в большей степени дугогасящие катушки.
Рис. 271. Распределение активной составляющей остаточного тока в системе, показанной на рис. 265.
— — потери и линиях; —— потери в дугогасящих катушках; суммарные потери.
Рис. 272. Методы получения напряжений для питания обмоток земляных реле.
а— вторичная обмотка на дугогасящей катушке; б — однофазный трансформатор напряжения, включенный в нейтраль силового трансформатора; в — трехфазный пятистержневой трансформатор напряжения с обмотками на дополнительных стержнях.
Однако следует учитывать, что концентрация дугогасительных катушек в какой-либо части системы приводит к протеканию активной составляющей тока через большое количество последовательно присоединенных линий, что ухудшает избирательность. Равномерно распределенные по сети дугогасящие катушки помогают избирательности.
Кабельная сеть 30 кВ Берлинской муниципальной системы электроснабжения (Беваг) оборудована земляными реле с обратными ватт — секундными характеристиками [Л. 55]. В некоторых частях применены дополнительные выдержки времени, поскольку без них нельзя обеспечить надежную работу автоматики. Время отключения — порядка нескольких секунд. Есть сведения об удовлетворительной работе схемы.
В системах средних размеров и средней сложности конфигурации возможности автоматического отключения замыкания на землю с помощью схем с ватт — метровыми реле не блестящи. Можно рассматривать применение схем с контрольными проводами или высокочастотных схем для сопоставления показаний реле, установленных на двух концах поврежденного участка. Однако эти способы еще не применялись на практике. Так как основная причина ошибок заключается в неопределенности сигналов, получаемых реле, а не в их конструкции, решения следует искать в увеличении амплитуды тока замыкания и в особенности его активной составляющей.
