Защита и автоматика электрических сетей агропромышленных комплексов - Защита и сигнализация при однофазных замыканиях на землю в сетях 10 кВ

В соответствии с «Правилами» [1,2] сети 3—35 кВ относятся к сетям с изолированной или компенсированной нейтралью, иначе говоря — к сетям с малыми токами замыкания на землю. Например, в сетях 10 кВ ток однофазного замыкания на землю не должен превышать 20 А. Однофазные замыкания в таких сетях не требуют немедленного отключения линии и позволяют продолжать электроснабжение потребителей при этом повреждении до его отыскания и подготовки потребителей к переводу на другой источник питания. Но при этом «Правила» [1] обязывают оперативный персонал немедленно приступить к отысканию места повреждения и устранить его в кратчайший срок. Для быстрого определения поврежденной линии (направления) применяются специальные устройства защиты, устанавливаемые на питающих подстанциях 110/10 кВ и 35/10 кВ и действующие, как правило, на сигнал. С действием на отключение защита от однофазных замыканий выполняется на линиях 3—10 кВ только тогда, когда это требуется по условиям техники безопасности (на линиях,  питающих передвижные подстанции и механизмы торфопредприятий, шахт и т. п.).
Защиты от замыканий на землю, действующие на сигнал и на отключение, должны обладать селективностью, т. е. способностью определять поврежденную линию (или направление). Выполнить такую защиту нелегко, так как токи однофазного замыкания на землю в воздушных сетях 10 кВ очень малы даже по сравнению с токами нагрузки. Кроме того, однофазные замыкания на воздушных линиях 10 кВ чаще всего происходят через переходные сопротивления, которые снижают значения токов нулевой последовательности по сравнению с металлическим замыканием, причем не только токов основной частоты, но и токов высших гармоник (на измерении токов высших гармоник построена широко применяющаяся в кабельных сетях 6 и 40 кВ сигнализация однофазных замыканий на землю с приборами типа УСЗ-2, УСЗ-ЗМ и т. п.). Из выпускаемых промышленностью устройств селективной сигнализации однофазных замыканий на землю для воздушных сетей 10 кВ в сельской местности применяются, главным образом, направленная защита типа ЗЗП-1М, реже, импульсная защита типа ИЗС.
На подстанциях с кабельными линиями 6 и 10 кВ для этих целей используется групповое устройство с прибором УСЗ-ЗМ.
Наряду с этими или другими селективными защитами на каждой секции 10 кВ питающей подстанции 110/10 или 35/10 кВ выполняется устройство контроля изоляции, фиксирующее факт появления замыкания на землю в любой точке электрически связанной сети и действующее на сигнал.
При отсутствии на линиях 10 кВ селективных защит от однофазных замыканий на землю «Правила» допускают поиск поврежденного элемента путем поочередного отключения присоединений. Поочередное отключение производится оперативным персоналом. При отключении поврежденного присоединения устройство контроля изоляции прекращает действовать на сигнал.
Устройства контроля изоляции. В настоящее время практически все устройства контроля изоляции выполняются с использованием трансформаторов напряжения, либо трехфазных пятистержневых ТН типа НТМИ, либо трех однофазных ТН и даже двух однофазных ТН, соединенных по схеме открытого треугольника с заземленной нейтралью. Как правило, на питающих подстанциях устанавливаются ТН типа НТМИ.

Рис. 20. Схемы включения (а) устройств контроля изоляции (PC) и максимальной защиты напряжения нулевой последовательности (РН) и векторные диаграммы напряжений при однофазном замыкании на землю (б и в)
ТН — трансформатор напряжения; V1—V3 — вольтметры
Устройство контроля изоляции может быть выполнено несколькими способами (рис. 20,а). Например, с помощью трех вольтметров VI—V3, включенных на фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора напряжения. Может быть установлен один вольтметр с переключателем. В нормальном симметричном режиме все три вольтметра показывают одинаковые фазные напряжения. При замыкании одной фазы на землю показания вольтметра этой фазы резко понизятся, вплоть до нуля при металлическом замыкании. Показания вольтметров других фаз увеличатся, вплоть до 1,73 фазного, также при металлическом замыкании. Для получения звукового сигнала при замыкании на землю в схему устройства может быть включено сигнальное реле PC. В нормальном режиме сумма фазных напряжений равна нулю и реле не работает. При замыкании на землю одной фазы напряжение нулевой точки N вольтметров становится равным сумме напряжений неповрежденных фаз и под влиянием этого напряжения реле срабатывает.
Другим распространенным способом выполнения сигнализации замыканий на землю является использование специальной (третьей) обмотки трансформатора напряжения, соединенной по схеме, называемой разомкнутым треугольником, которая является фильтром напряжения нулевой последовательности 3U0 (рис. 20,а). В нормальном режиме сети 110 кВ при симметричных напряжениях фаз Л, В и С на выводах этой обмотки и на реле РН напряжение практически отсутствует (имеется только напряжение небаланса, значение которого обычно не превышает 1 В; наличие этого напряжения свидетельствует об исправности ТН, отсутствии обрывов и замыканий в его вторичных цепях).
При однофазном металлическом замыкании на землю, например, провода фазы Л напряжение этой фазы относительно земли становится равным нулю, напряжения неповрежденных фаз В и С увеличиваются в 1,73 раза, а их геометрическая сумма становится равной утроенному значению фазного напряжения (рис. 20,6, в). Для того чтобы напряжение на реле РН в этих случаях не превышало стандартного номинального значения 100 В, трансформаторы напряжения с обмотками, соединенными по схеме «разомкнутый треугольник», имеют повышенный в 3 раза коэффициент трансформации:
(3)
Под воздействием напряжения нулевой последовательности 3£/0, которое при металлическом замыкании достигает 100 В, максимальное реле напряжения РН срабатывает на сигнал или на отключение. Последнее выполняется на подстанциях, откуда питаются линии, отключаемые при замыканиях на землю по условиям техники безопасности (см. выше). Защита по напряжению нулевой последовательности является здесь резервной по отношению к основным селективным защитам этих линий, например типа ЗЗП-1М, и действует на отключение подстанции или секции с выдержкой времени 0,5—0,7 с для отстройки от основной защиты. В устройстве применяется реле РН (рис. 20,а) типа РН-53/60Д с минимальной уставкой 15 В [8].
Очевидно, что устройство контроля изоляции в виде максимальной защиты напряжения нулевой последовательности (реле РН на рис. 20,а) является очень простой, чувствительной и надежной защитой от замыканий на землю, но, к сожалению, неселективной.
Обмотка разомкнутый треугольник используется также для питания других защит от замыканий на землю (ЗЗП-1М, ИЗС).