Одной из важных возможностей предотвращения эскалации аварии, связанной с перенапряжениями, является выявление и локализация места повреждения при замыканиях на землю. Прежде всего необходимо отметить, что выбор действия защиты на отключение или на сигнал определяется требованиями технологии, надежности электроснабжения или безопасности. Однако, проблема устойчивости к перенапряжениям является одной из важных составляющих, обеспечивающих эти требования. Задачей настоящего параграфа является не описание способов защиты и сигнализации замыканий на землю, а увязка возможностей реализации этих функций в зависимости от режима заземления нейтрали.
В установившемся режиме амплитуда тока замыкания на землю и напряжения, и фаза между ними определяются параметрами нулевой последовательности сети. При фиксированных структуре сети и составе оборудования фаза между током замыкания на землю и напряжением нулевой последовательности независимо от величины переходного сопротивления и места замыкания остается постоянной величиной.
Как правило количество линий больше чем приведено в примере, а следовательно 3I02»3I01, где 3Ι'01 - ток в одной из неповрежденных линий. Однако простой и очевидный подход к выявлению поврежденной линии не всегда реализуем на практике. На выходе фильтра нулевой последовательности в нормальных условиях работы сети имеется значительный небаланс, содержащий токи основной частоты и высших гармоник. Учитывая небольшой ток замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью, особенно при к. з. через большое переходное сопротивление, а также необходимость отстройки от тока небаланса, реализовать необходимую чувствительность не представляется возможным.
Однако, не теряя свойств сети с изолированной нейтралью, можно обеспечить чувствительность защиты от замыканий на землю введением резистивного заземления нейтрали. Расчет токов определяется схемой замещения, представленной на рис. 5.20, при замкнутых ключах B1 и В2. То есть нейтраль сети заземлена через резистор RN.
Ток замыкания определяется
Ток 3I01 в неповрежденной сети
Ток 3I02 в поврежденной линии
Таким образом, ток 3I02 в поврежденной линии имеет две составляющие, одна из которых - емкостная составляющая, равная току замыкания как в случае изолированной нейтрали, другая - активная составляющая, определяемая только величиной резистора RN. Ток 3I01 в неповрежденной сети не имеет активной составляющей:
Рассмотрим пример расчета в условиях когда два одинаковых кабеля с суммарным емкостным током замыкания 1,2 А включены в сеть с высокоомным сопротивлением, создающим активный ток замыкания 6 А. Ток 3I02 в поврежденном кабеле 
Ток 3I01 в неповрежденном кабеле
Таким образом, наряду с решением проблемы ограничения перенапряжений, возможно повышение чувствительности за счет введения резистивного заземления нейтрали.
Наличие необходимого уровня тока замыкания на землю позволяет решать задачу на базе контроля направления тока нулевой последовательности [73]. Так, согласно выражению (5.4) ток в поврежденной линии 3I02 и токи в остальных присоединениях имеют противоположные направления. Однако, в реальных условиях реализация таких защит связана с рядом проблем: отсутствие в ранее спроектированной сети измерительных трансформаторов тока нулевой последовательности, отсутствие технических решений, обеспечивающих необходимую чувствительность выявления.
В сетях, где используется компенсация основной гармоники, уровень и фаза тока зависят от соотношения между емкостью неповрежденных участков и индуктивностью дугогасящей катушки. При точной компенсации реактивная составляющая тока близка к нулю, и организовывать защиту на основе контроля уровня тока нулевой последовательности основной гармоники весьма проблематично. При перекомпенсации суммарного емкостного тока, фазы реактивных составляющих тока повреждения будут одинаковыми как на неповрежденных присоединениях (емкостной ток), так и на поврежденном (индуктивный ток).
Другой возможностью организации сети является использование гармоник неосновной частоты. Прежде всего, высшие гармоники в токе замыкания на землю появляются при несинусоидальности линейных напряжений, за счет протекания тока намагничивания трансформаторов сети. В некоторых публикациях показано, что высшие гармоники достигают 15% от основной, причем состав тока зависит от ряда факторов и колеблется в широких пределах [74]. Гармоники в поврежденном присоединении равны сумме токов высших гармоник всей остальной сети. Нелинейность компенсирующего устройства и нелинейность характеристик намагничивания трансформатора, в нейтраль которого включена дугогасящая катушка, являются дополнительным источником высших гармоник. Схема замещения для определения тока высших гармоник из-за дугогасящей катушки и трансформатора представлена на рис. 5.21. Источник высших гармоник показан на рисунке в виде Ег. В нормальном режиме в сети будут протекать токи через емкости. При замыканиях на землю емкости шунтируются и токи высших гармоник, определяемые э.д.с.
Ег, протекают только по поврежденной линии. Однако, высшие гармоники естественно существующие в сети могут быть очень малыми и их измерение сопряжено с значительными затратами. Более надежным способом является введение в контур циркуляции гармоники от дополнительного источника [75]. Это обеспечивает устойчивый уровень контролируемого сигнала при коротком замыкании не зависимо от структуры сети.
Безусловно, наиболее совершенным методом обеспечивающим надежное выявление факта возникновения замыкания на землю является использование приращения основных или гармонических составляющих в момент возмущения [75, 76]. В момент замыкания на землю разрядная электромагнитная волна распространяется в обе стороны от места повреждения. Интенсивность переходного процесса зависит от начальных условий. Так, если начальное напряжение равно нулю, то токи переходного процесса минимальны. Приращение определяется на основе суммирования сдвинутых во времени сигналов с исходным
Учитывая, что амплитуды токов переходных процессов могут в десятки раз превосходить установившиеся, то выявление замыкания на землю удается осуществить с большим запасом. Здесь же целесообразно отметить, что наличие дугогасящей катушки мало влияет на составляющие переходного процесса, так как частота настройки близка к 50 Гц.
Рис. 5.21. Схема замещения для определения тока высших гармоник
